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1、 天地一体化信息网络技术研究白皮书(2023)中通服咨询设计研究院有限公司 前 言 作为未来 6G 关键技术之一,天地一体化信息网络将在未来 6G 中将充分发挥空、天、地、海信息技术的各自优势,实现时空复杂网络的一体化综合处理和最大有效利用,为各类不同用户提供实时、可靠、按需服务的泛在、机动、高效、智能、协作的信息基础设施和决策支持系统。与此同时,天地一体化信息网络作为国家首个“面向 2030 科技创新重大项目”,以其战略性、基础性、带动性和不可替代性,成为国家国民经济和国家安全的重大基础设施,其所具有的信息服务能力,将不断地带动我国新兴产业的发展,形成具有巨大潜力的核心竞争力和民族创造力。编
2、制单位:中通服咨询设计研究院有限公司 编写人员:王强、李新、贝斐峰、刘超凡、彭雄根 天地一体化信息网络技术研究(2023)I 目 录 1.6G 网络研究现状.1 1.1 标准研究进展.1 1.2 业务场景需求.3 1.3 网络构架展望.8 2.天地一体化信息网络应用场景.9 2.1 泛在物联.9 2.2 宽带互联.12 2.3 智能海洋.13 2.4 隐蔽安全.14 2.5 社会治理.15 3.天地一体化信息网络组网架构.16 3.1 组网架构需求.17 3.2 组网架构组成.18 3.2.1 物理架构组成.18 3.2.2 功能架构组成.21 3.3 组网架构优化.27 3.4 组网架构挑战
3、.27 4.天地一体化信息网络关键技术方向.28 4.1 技术架构研究方向.29 4.2 网络管理研究方向.34 5.天地一体化信息网络资源管理.35 5.1 天地一体化网络活动基站节点选址.36 5.1.1 集中式活动基站选址.36 5.1.2 分布式活动基站选址.37 5.2 天地一体化网络资源管理技术.38 5.2.1 高隔离无线频谱资源管理技术.38 5.2.2 跨域边缘计算资源协同管理技术.40 5.2.3 模型与数据联合驱动的资源管理算法.42 6.天地一体化信息网络发展现状.43 6.1 基于 GEO(高轨)星座网络.43 6.2 基于 LEO(低轨)星座网络.45 天地一体化信
4、息网络技术研究(2023)II 6.3 LEO(低轨)星座发展展望.51 7.天地一体化信息网络建设探讨.53 7.1 网络建设难点.53 7.2 网络建设方案.54 8.天地一体化信息网络发展展望.55 8.1 面临挑战.56 8.2 发展建议.57 天地一体化信息网络技术研究(2023)1 1.6G 网络研究现状 1.1 标准研究进展 全球 6G 标准还未制定,但是 6G 研究的序幕已经展开,整体上看,全球 6G研究正在有序推进,预计 2030 年 6G 将实现商用,届时人类将进入 6G 时代。(1)ITU ITU-R WP5D 负责 IMT 无线通信研究和标准化,包含 IMT-2000(
5、3G)、IMT-Advanced(4G)、IMT-2020(5G)以及当前开展的 IMT for 2030 and beyond(6G)。面向新一轮启动的 6G 无线通信系统工作,ITU 已于 2022 年中旬完成了 未来技术趋势报告的编写,除了重点关注 6G 的无线技术外,ITU 在 2021 年分别启动IMT 愿景建议书和100GHz 以上频段的 IMT 技术可行性报告的相关工作,预计都将在 2023 年中旬完成,为最终的ITU-R 关于 IMT-2030 及以后的建议提供总体指导。对于 6G 无线技术,未来技术趋势报告收集了十余个国家、技术与标准化组织等的多轮输入,包含了 AI、通信感知
6、一体化等 8 个主要的新兴技术趋势和使能技术方向,极致 MIMO、新型编码、高精度定位等 8 个用于空口增强的技术方向,新型网络架构与卫星网络互通等 9 个用于无线网络增强的技术方向,以及 2 个面向终端的技术方向,为 6G 整体技术支持因素、概念奠定了基础。6G IMT 愿景建议书在用例、应用趋势、应用场景以及彼此的关系展开广泛的讨论,并将逐步开展 6G 关键能力、演进目标等议题。有关 6G 愿景研究将在2023 年世界无线电通信大会(WRC-23)之前完成,届时由各国、业内组织、企业共同商讨的 6G 愿景建议书,将作为下一代移动通信工作开展的关键指南。无论是未来技术趋势报告,还是愿景建议书
7、,相比于 5G 研究计划,6G 规 天地一体化信息网络技术研究(2023)2 划节奏均有提前,各成员单位及外部组织输入空前踊跃积极。同时 ITU-R WP5D对 6G 关键时间线及工作计划展开热烈的讨论,目前已明确将在 2030 年发布 6G移动通信全球核心标准,6G 总体时间表也计划将于 2023 年 7 月完成。在网络方面,ITU-T 负责电信标准的 SG13 工作组在 2022 年2023 年研究周期开展了多项 IMT-2030 网络架构及关键技术的标准化工作,包括确定性网络技术、天地融合网络技术、算力网络技术、意图网络技术、人工智能技术、区块链安全技术等。ITU-T 已经开始布局算力网
8、络、云网协同、天地一体化等新兴技术方向,提前储备 5G-A 和 6G 关键使能技术。(2)3GPP 2020 年 7 月 3GPP R16 标准冻结后,受全球疫情影响,原计划 2021 年底完成冻结的 R17,推迟到 2022 年 6 月冻结。根据 3GPP 2019 年公布的时间表来看,已经于 2023 年开启对于 6G 的研究,并将在 2025 年下半年开始对 6G 技术进行标准化,预计将在 2028 年上半年完成 6G 标准的制定,至 2028 年下半年将会有6G 设备产品面市。3GPP 目前已正在着手制定 5G R18 标准,是首个定义为5G-Advanced 的标准版本,行业内预计从
9、 2026 年开始将启动首个 6G 标准 R21的制定,到 2030 年将冻结 R23 版本。(3)IMT-2030 当前,随着 5G 规模化商用进入快车道,世界主要国家和地区纷纷启动 6G研究。我国高度重视 6G 发展,“十四五”规划纲要明确提出要“前瞻布局 6G 网络技术储备”。2019 年 6 月,IMT-2030(6G)推进组在工业和信息化部等部委指导下成立,超过 70 家国内外企业、高校及科研机构参与,积极推进 6G 愿景需求研究、关键技术研发、标准研制、国际合作交流及社会经济影响研究等各项工作。IMT-2030(6G)推进组于 2021 年 6 月发布 6G 总体愿景与潜在关键技术
10、白皮书,提出沉浸式云 XR、全息通信、感官互联、智慧交互、通信感知、普惠智能、数字孪生、全域覆盖共八大应用场景,展望了内生智能的新型网络、增强 天地一体化信息网络技术研究(2023)3 型无线空口技术、新物理维度无线传输技术、太赫兹与可见光通信技术、通信感知一体化、分布式自治网络架构、确定性网络、算力感知网络、星地一体融合组网、支持多模信任的网络内生安全共十大关键技术方向。2021 年 9 月,IMT-2030 推进组进一步召开了以“6G 愿景展望”为主题的 6G研讨会,围绕 6G 无线融合通信及新频段技术、6G 新物理维度及技术研究、6G网络架构与技术等三个领域进行了 10 场技术主题研讨,
11、并发布了6G 网络架构愿景与关键技术展望白皮书,以及超大规模天线技术等 6 份研究报告。1.2 业务场景需求 2021 年 6 月,IMT-2030(6G)推进组发布6G 总体愿景与潜在关键技术,创新提出 6G 潜在业务应用,呈现沉浸化、智能化和全域化特点,分析总结出 6G网络具有如下业务场景需求,共有五大应用场景和八大应用需求:(1)超级无线宽带 超级无线宽带是增强移动宽带(enhanced Mobile Broadband,eMBB)的演进和扩展,不仅将极大提升以人为中心的沉浸式通信体验,也将在全球任意地点实现无缝覆盖。超级无线宽带场景将广泛应用于生活、生产、工作、教育、娱乐等 多个领域,
12、提升人们的生活质量和工作效率。在热点部署的场景下,以人为中心的通信和以机器为中心的通信均对峰值速率、用户体验速率、系统容量、频谱效率提出更高的要求。此外,6G 网络还需要提供低时延和高稳定性以保障用户体验。1)沉浸式云 XR XR(extended reality,扩展现实)业务不断向超高清、3D、浸入式、实时交互方向发展。XR 将从信息娱乐、远程教育等切入,替代面对面服务,同时逐步扩展到智慧安防、智慧城市、智慧工厂、数据中心等领域,助力各行业数字化转型。未来云化 XR 系统将实现用户和环境的语音交互、手势交互、头部交互、天地一体化信息网络技术研究(2023)4 眼球交互等复杂业务,需要在相对
13、确定的系统环境下实现低时延与超高带宽,才能为用户带来极致体验。此外,云化 XR 技术中的内容上云、渲染上云、空间计算上云等将显著降低 XR 终端设备的计算负荷和能耗,XR 终端设备将变得更轻便、更智能、更利于商业化。但同时,终端功率受限问题将更加突出,未来终端需要重点研究绿色低功耗方案。2)全息通信 预计未来,随着 6G 网络能力的提升,以及高分辨率终端显示设备的发展,全息通信将自然逼真地还原多维度信息,实现人、物及其周边环境的三维动态交互通信,塑造智能沟通、高效学习、协同办公、健康生活、自由娱乐等生活新形态。全息通信将广泛应用于文化娱乐、医疗健康、教育、社会生产等众多领域,使人们不受时间、空
14、间的限制,打通虚拟场景与真实场景的界限,使用户享受身临其境般的极致沉浸感体验。全息通信要求网络支持实现大尺寸、高分辨率的全息显示数据传输,并行承载上千个并发数据流,同时保证全息交互的实时性,其对峰值速率、低时延等网络指标均提出了较高要求。3)感官互联 感官信息(即视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉)的有效传输将成为通信业务的重要组成部分,感官互联有可能成为未来通信的重要方式之一,将广泛应用于医疗健康、技能学习、娱乐生活、工业机械、道路交通、办公生产和情感交互等领域。用于工业场景的远程操控需要非常精确的动作控制,对时延有较高要求。触觉反馈的交互式 VR、UAV 遥控等应用需要与目标物体之间实现频繁交互
15、并同步反馈多感官信息,6G 网络需要为多感官交互应用提供平滑、可靠的连接。(2)超大规模连接 超 大 规 模 连 接 将 在 5G 海 量 物 联 网 通 信(massive Machine Type Communication,mMTC)基础上,拓展全新的应用领域和能力边界。超大规模 天地一体化信息网络技术研究(2023)5 连接的对象将包括部署在智慧城市、智慧生活、智慧交通、智慧农业、智能制造等场景的各类设备,典型应用包括远程抄表、环境监测、智能灯杆互连等。此外,未来数字孪生世界将通过部署大量传感器,实现对日常生活中各类设备的数据采集及传输,并通过建模、推演、决策等环节与物理世界交互。超大
16、规模连接的场景特点是连网设备数量巨大,但其中大部分可能仅产生零星散发的流量。与 5G 中仅支持大规模设备的低速率传输相比,6G 超大规模连接设备的传输速率将从低到高不等。数据包的传递频次根据具体应用也存在较大差异,例如从一天一次到几毫秒一次不等。此外,具备不同采集能力的传感器其寿命也存在较大差异。这一场景在某些用例下也需要支持高精度定位、高可靠性和低时延能力。1)数字孪生 随着感知、通信和人工智能技术的不断发展,物理世界中的实体或过程将在数字世界中得到数字化镜像复制,人与人、人与物、物与物之间可以凭借数字世界中的映射实现智能交互。未来 6G 时代将进入虚拟化的孪生数字世界,应用领域包括:工业领
17、域的数字域优化产品设计,城市领域的城市数据大脑建设,医疗领域的数字孪生人,农业领域的生产过程模拟和推演,网络管理领域的数字孪生网管等。以数字孪生城市为例,基于海量传感器、高清视频监控、无线感知等手段采集数据并进 行高精度模拟,能够实现对数字城市的监测、诊断、预测,从而辅助对物理城市的精细化管控,助力构建新型智慧城市。(3)极其可靠通信 极其可靠通信将在低时延高可靠通信(Ultra Reliable Low Latency Communication,URLLC)的基础上进一步增强能力。典型应用包括智能化工业领域的机器人协作、无人机群和各种人机实时交互操作,智能交通系统中的全功能自动驾驶,精准医
18、疗中的个性化“数字人”及远程医疗手术,以及智慧能源、智能家居领域的应用等。除更低时延和更高可靠性要求外,机器协同交互类应用 天地一体化信息网络技术研究(2023)6 对抖动、时间同步、稳定性等确定性指标也提出了极高需求,同时需要具备中高速数据传输和超高精度定位的能力。为此,6G 网络设计需要考虑多维度性能需求。1)机器控制 未来协作式机器控制系统将基于生产作业流程,实现人机物与环境的多维度协作。协作式机器控制将从智慧工厂切入,逐步扩展到智慧农业、智慧城市、智慧交通、智慧能源等领域,从封闭场景、现场局域范围向开放场景、广域覆盖逐步拓展,助力各行各业提升工作效率,确保工作安全。协作式机器控制需要更
19、精准的工作环境及机器动作感知,更智能的精细化控制,更准确的控制指令执行。这需要系统能够提供安全可靠的通信服务,以满足超低时延、超高可靠、超高确定性的控制需求。(4)普惠智能服务 普惠智能服务是 6G 的新增典型场景,依托网络对需要进行高效分布式智能学习或推理的智能化服务提供集成化的通信和 AI 算力。它不仅服务于特定应用服务,还将服务于未来整个通信系统,提高网络整体的性能和效率。在这个典型场景中,网络中的大量智能体将联合执行复杂的 AI 训练和推理任务,从而充分利用移动边缘侧(包括设备中)的智能算力,使快捷和灵活的智能服务覆盖社会各领域。1)智慧交互 未来 6G 网络有望在情感交互和脑机交互(
20、脑机接口)等全新研究方向上取得突破性进展。具有感知能力、认知能力、甚至会思考的智能体将彻底取代传统智能交互设备,人与智能体之间的支配关系将开始向着有情感、有温度、更加平等的类人交互转化。在智慧交互场景中,智能体将产生主动的智慧交互行为,同时可以实现情感判断与反馈智能,因此,数据处理量将会大幅增加。2)智能互联 天地一体化信息网络技术研究(2023)7 在未来 6G 网络中,个人和家用设备、各种城市传感器、无人驾驶车辆、智能机器人等新型智能终端将不仅可以支持高速数据传输,还能够实现智能设备间的协作与学习。6G 将利用智能泛在的网络设计,通过有效连接局部数据,实现特定环境下不同智能终端之间可靠、低
21、时延的通信和协作,并通过大数据学习持续提升工作效率与质量。6G 网络拥有原生智能架构,将 ICDT 技术以及工业智能深度集成到无线网络,具备大规模分布式训练、实时边缘推理和本地数据脱敏等能力。为此,6G 在性能指标上需要重点考虑传输、分布式连接、智能服务精度、高效算力等方面的能力。(5)通信感知融合 通信感知融合是 6G 新增典型场景。感知和通信的集成将提供高精度定位、环境重构、成像、识别等多元化能力,极大促进超高分辨率和精度的应用需求,如超高精度定位、高分辨率实时无线地图构建、基于设备甚至无设备的被动目标定位、环境重建和监控、手势和动作识别、产品缺陷监控、访客识别等。此外,通信感知融合也将有
22、助于提高通信的性能和效率,例如,通过考虑用户移动轨迹和环境变化来优化无线资源利用率。通信感知融合可以广泛应用于很多领域,为车联网、智能工厂等提供更好的服务。1)多维感知 未来移动通信网络需要满足农村和偏远地区、无人区、远洋海域等 5G 无法满足的地区的覆盖需求。地球表面以上,无人机、飞机等飞行器也需要无线宽带连接服务。随着业务的逐渐融合和部署场景的不断扩展,6G 移动通信网络将实现地面蜂窝网络与非地面网络的融合,构建起全球广域覆盖的天地一体化信息网络,为各类用户提供无盲区的宽带移动通信服务。全域覆盖业务和场景将呈现出多样性,与智慧城市、新媒体、工业、农业、医疗、教育和能源等各行各业紧密结合。全
23、时全地域的无缝立体宽带接入将为全球非地面网络覆盖地区提供广域物联网接入,提供 应急通信、农作物监控、珍 天地一体化信息网络技术研究(2023)8 稀动物无人区监控、海上浮标信息收集、远洋集装箱信息收集等服务,支持厘米级高精度定位与导航。此外,通过高精度地球表面成像,可实现应急救援、交通调度等服务。1.3 网络构架展望 为全面满足 1.2 小节所述的 6G 的新业务新场景,6G 网络架构需要从地面接入向天地一体化泛在接入的转变。6G 网络架构需要支持空基、天基、地基、海基等多种接入方式,固定、移动、卫星多种连接类型,个人、家庭、行业多种服务类型,并实现网络侧的多接入、多连接、多服务融合。固定、移
24、动、卫星多种连接类型,个人、家庭、行业多种服务类型,并实现网络侧的多接入、多连接、多服务融合。在习近平总书记的亲自关心和指导下,新时代国家在“十三五”规划中将天地一体化信息网络列入了国家首个“面向 2030 科技创新重大项目”,从而正式启动了我国天地一体化信息网络的建设工作。天地一体以其战略性、基础性、带动性和不可替代性的重要意义,成为国家基础性的战略资源,对社会的经济发展有着不可替代的重要作用,是关乎国家安全和国民经济的重大基础设施。未来的 6G 网络将采用多系统、大融合的天地一体化网络架构,将突破地形地表限制,覆盖扩展到太空、天空、陆地、海洋等自然空间。天地一体化网络将采用统一的架构、统一
25、的技术体制、统一的标准规范通过空、天、地、海等多维信息的有效获取、协同、传输和汇聚,以及资源的统筹处理、任务的分发、动作的组织和管理,充分发挥空、天、地、海信息技术的各自优势,实现时空复杂网络的一体化综合处理和最大有效利用,为各类不同用户提供实时、可靠、按需服务的泛在、机动、高效、智能、协作的信息基础设施和决策支持系统。天地一体化信息网络技术研究(2023)9 相较于传统的卫星或地面移动通信网络,空天地一体化的网络结构和节点能力(传输、移动、路由和覆盖能力等)都发生了根本性的变化,也面临着诸多网络建设、网络运营等方面的挑战。2.天地一体化信息网络应用场景 借助非地面网络,天地一体化信息网络可以
26、突破地形限制,向空、天、地、海多维度扩展,可以为公众和行业客户提供真正无缝泛在的高速业务体验。面向行业客户,天地一体化通信网络传输覆盖广、不受地理环境限制、时延抖动小、可靠性高的特性可以为行业客户提供专网服务。对于个人用户,天地一体化通信网络扩大了地面通信网络覆盖范围,可以为用户提供多样化的语音和数据业务。天地一体化信息网络的应用场景主要包括五个方面,分别为泛在物联、宽带互联、智能海洋、隐蔽安全、社会治理。2.1 泛在物联 泛在物联是指任何时间、任何地点、任何人和物之间的信息连接和交互。主要包括对物品的智能化识别、定位、跟踪监控和管理,保障数据传输的及时性、有效性,保障运输的安全,实现全球范围
27、内全天候万物互联。(1)大时空尺度数据分发 车联网、物联网场景中需要大量广播数据分发适合采用卫星和高空平台系统(HAPS)进行实现。卫星和 HAPS 的覆盖范围大,通过一跳就可为大范围内的通信节点提供信息传输,相比地面多跳传输更具优势。可用于远距离实时通信及大范围的信息同步和数据分发。天地一体化信息网络技术研究(2023)10 图 2-1 基于天地一体化的大时空尺度信息同步场景 (2)基于 CDN 的卫星广播场景 在基于 CDN 的卫星广播场景中,RAN 侧发挥卫星网络覆盖范围广的广播业务优势,可以有效节省下行空口带宽。核心网侧将 CDN 与 MEC 相结合,在全网范围内基于 CDN 技术按内
28、容分发业务数据,并缓存在网络边缘 MEC 平台,有效缓解网络侧拥塞和业务响应速度,改善用户体验质量。图 2-2 基于 CDN 的卫星广播场景 (3)双连接业务增强场景 通过业务多路合并充分利用卫星链路和地面移动网络的互补性增益。以视频业务为例,视频文件基本帧是视频业务的基础数据,编解码压缩较大,传输带宽需求较高,而视频文件增强帧是提升视频业务质量的增强数据,编解码压缩比较小,传输带宽需求较小。依据业务需求特性和 MEC 平台业务数据缓存状态,系统将决策仅采用地面移动网络传输视频业务基础数据,还是将地面移动网络传输 天地一体化信息网络技术研究(2023)11 视频业务基础数据与卫星链路传输视频业
29、务增强数据进行合并,以便提供时延、带宽和用户体验最优的 RAN 侧双连接业务增强合并策略。图 2-3 RAN 侧双连接业务增强场景 (4)广覆盖能力下沉场景 在广覆盖能力下沉场景中,无线网有卫星链路和地面移动网络两条无线接入方式,在无线接入侧,既可以依据业务 QoS 需求和两条无线链路质量,提供 QoS的差异化空口接入服务,又可以采用卫星网络提供底层接入覆盖与地面移动网络提供热点服务相结合的模式,充分利用卫星网络覆盖范围广和地面移动网络带宽时延的优势,实现无缝覆盖、泛在接入。为了进一步降低地面核心网传输时延,可以将核心网算力下沉到网络边缘,丰富本地业务算力资源,降低终端硬件成本,提供低时延保障
30、的算力能力。(5)本地分流与中继回传融合组网场景 在本地分流和中继回传融合组网场景,UPF 作为用户平面功能的关键节点,具备对地面移动网络终端业务本地分流的能力,如果网络边缘的 MEC 能够满足终端业务要求,UPF 则将业务请求分流到 MEC;如果 MEC 不能满足终端业务要求,UPF 可以通过地面核心网和卫星链路两种方案连接远端业务服务器。天地一体化信息网络技术研究(2023)12 图 2-4 本地分流与中继回传融合组网场景 2.2 宽带互联 宽带互联可以提高道路特征和交通设施的清晰度。在沙漠、山路、乡路等没有普通信号的地方,实现随时随地联网。增强移动终端导航能力,为机载、车载定位终端提供精
31、准可靠的位置服务。同时可以为交通物流、跨境电商、海洋、能源、旅游、农牧业等多个领域提供实时信息,为国家的“一带一路”建设做出贡献。(1)低成本广覆盖接入 随着电信普遍服务工作不断深入,需要解决边疆、深山、海岛等低成本通信服务需求。而卫星、HAPS 通信可以作为地面网络的补充和低成本的广域覆盖,作为语音和物联网基础覆盖网络,解决偏远地区用户的宽带上网和位置导航服务需求。(2)专网业务 对于一些有建设专网需求、且分支机构分散的企业,特别是跨国/跨地区的头部企业,采用天地一体化通信网络构建专网,有利于打破地理限制,统筹业务,提供高可靠性网络保障,实现集团公司的全球业务管理。(3)泛在接入本地分流场景
32、 基于 MEC 的天地一体化通信网络可以为海岛、沙漠、高山、港口等偏远地 天地一体化信息网络技术研究(2023)13 区提供泛在接入能力,将视频监控等业务数据上传到网络边缘 MEC。依据业务需求,MEC 平台为边缘用户提供本地业务分流能力。MEC 平台直接部署在网络边缘,大大降低了网络传输时延。综合视频自动化分析、集装箱自动化调度、安防监控等相关应用,为吊桥、集装箱、运输车辆、园区安防、环境数据采集等提供高清视频监控。图 2-5 泛在接入本地分流场景 2.3 智能海洋 在智能海洋通信方面,空天信息网络面对海上环境情况复杂、海事业务异构等问题,提出了智能化、协同化和信息化的发展,克服海洋复杂环境
33、对传播的影响,满足海事安全通信、海况通报、导航避障、海事紧急救援、公共通信服务等多种异构业务的低延迟、高可靠、全覆盖的需求。(1)基础立体通信 在全球大力推进海洋经济发展、加大航运背景下,海上通信,将可能是未来潜在的新兴通信市场。通过在近海区域及飞机航线沿线部署建设费地面网络,可有效实现近海区域船只和飞机上终端设备的通信。HAPS气球的覆盖半径为50km,通过两个气球的中继,可以覆盖近海 200km 范围内的船只和飞机。按照我国大陆海岸线长度 18000km 估算,360 个气球即可实现我国整体海岸线近海 200km范围内船只和科技的通信。天地一体化信息网络技术研究(2023)14 图 2-6
34、 海洋与空间立体通信场景(2)机载云服务 在机载服务器上部署轻量化的 MEC 和 vUPF,与机上用户在相同的局域网络中。基于机载 MEC 平台预存储的业务可以为机上用户提供局域网络范围的云点播服务,并建立机上局域网络云社交服务,为机上用户提供内部社交支撑能力。基于机载 MEC 下沉的计算能力,可以为机上用户提供云视频渲染和云游戏交互等业务。若机载轻量化 MEC 平台能力不足以满足用户业务需求,机载 vUPF 通过卫星链路向地面网络远端服务器请求业务支撑能力。(3)船载云服务 与机载服务场景类似,在船载服务器上部署 MEC 和 vUPF,实现云点播、社交、视频渲染及云游戏交互等业务。与机载 M
35、EC 平台轻量化部署策略不同,船上可以配置更多硬件资源部署 MEC 平台,MEC 平台的能力也可以更全面。2.4 隐蔽安全 空天通信网可以保证数据传输的隐蔽性。传统地面网络,基站数目过多,任一基站发生故障或被安装窃听设备,都会导致秘密信息的泄露。而采用空天通信网,加密数据可以通过天基骨干网和天基接入网进行直接传输。而高空飞行器和卫星的数据链路更为安全,更难截获。因此可以构建隐蔽安全的通信链路。天地一体化信息网络技术研究(2023)15 (1)证券金融领域 证券金融等行业,交易场所分散,对通信保密要求高,同时一些结算类业务对时延抖动敏感。针对大宗货物交易会证券交易中高频电子交易场景,采用低轨卫星
36、进行直线传播将有效降低时延,例如纽约和上海之间的长距离传输,理论上采用卫星轨道高度 500km 左右的低轨卫星,时延可以控制在 100ms 之内,而目前通过海底电缆的传输时延约 120ms150ms。对于金融电子交易,1ms 的时延可能会影响上百亿美元的交易。此外海底光缆非常脆弱,容易遭到地震、海啸、船只甚至鱼类的破坏。(2)区块链安全加固 作为一种分布式架构技术体系,区块链以牺牲存储效率为代价保证链上数据可信防篡改,同一跳链上的所有节点存储相同的账本数据。不同节点之间为了达成有效的共识,需要通过多次广播机制传递交易数据和验证消息。目前,链上节点间数据同步是通过将逻辑广播消息向邻居节点随机转发
37、的模式实现的,但是,消息数据的广播仍然需要占用多个物理信道,因此,消息数据同步的带宽资源消耗和链上节点间同步时延抖动是衡量区块链数据同步性能的关键指标。因此,利用卫星广播链路实现链上节点消息数据广播可显著降低网络带宽需求,减小节点间数据同步时延抖动。2.5 社会治理 在社会治理方面,当面对重大安全事件,如自然灾害,社恐暴乱等,国家需要对大规模人群或地区进行实时监管这暴露出在面对重大事件时,采用普通的模式将不再适用。我们必须提升监管效率,加大监管强度。尤其是在面对重点防控地区,更要实现全方位无死角的人员流动监控以及实时周边环境信息的采集。这需要技术的支持,而要对如此海量的数据实现实时监测、流量监
38、管。空天通信网 天地一体化信息网络技术研究(2023)16 可以凭借三层异构网络实现全方位无死角的地区覆盖,并可以对热点地区进行灵活的资源调配,通过科学手段实现高效的社会治理。(1)应急通信 由于卫星、HAPS 通信具有覆盖面广,不受地理环境和自然灾害等影响,适合作为应急通信保障通信网络。特别是在地震、洪涝等自然灾害导致地面网络阻断情况下,卫星、HAPS 通信可以快速部署,终端机动灵活,可以第一时间打通通信链路,为抢险救灾构建高效可靠的指挥调度及信息传输通道。3.天地一体化信息网络组网架构 针对 6G 时代天地一体化组网架构讨论中,人们对卫星、HAPS、无人机等非地面网络系统与地面网络系统融合
39、的方案饶有兴趣。地面与非地面网络系统的互相补充,有效融合,可以让网络覆盖到目前无法覆盖的地方,从而打造无处不在的天地一体化立体覆盖网络。移动通信经过多年的发展和建设,网络覆盖范围越来越广,但是在某些区域无线网络建设部署仍存在困难,尤其是在光纤传输资源不到位或者建设成本高的地区,无线网络建设困难重重。根据统计,目前全球移动通信信号仅覆盖了全球面积的 30%左右,同时全球还有超过 30 亿人口无宽带覆盖,仅美国就有超过 5000 万人缺乏宽带覆盖。因此急需建设天地一体化信息网络,实现不同地域、不同用途、不同行业网络跨界融合,满足用户全时全域无缝覆盖的高可靠通信需求。在以往很多时候,人们经常会把非地
40、面组网技术与地面组网技术看作是相互竞争关系,但他们在网络部署的某些方面,地面网络技术和非地面网络技术是可以互为补充。对于非地面网络,首先需要考虑是否是基于轨道的网络。例如,从架构上来看,HAPS、无人机和热气球不是基于轨道的平台,他们的架构通常与现有网络一致,这类平台专门用于覆盖特定的物理区域,而轨道平台系统则是以 天地一体化信息网络技术研究(2023)17 星座形式部署,因此可以提供无处不在的连接。作为构建高性能网络的使能技术,卫星技术吸引了越来越多的目光。为了尽可能降低卫星通信的时延,需要引入低轨卫星和超低轨卫星。但是,由于这些卫星的轨道高度相对较低,每颗卫星的覆盖范围有限,这就意味着,需
41、要更大规模的网络甚至巨型星座。SpaceX 的星链(Starlink)以及亚马逊的柯伊伯(Kuiper)等项目,这些项目的卫星星座都包含了数千颗卫星。下表为一些目前具有代表性的卫星网络,有的正在规划,有点正在部署,有的已经开始提供服务。表 3-1 卫星网络现状 卫星网络 状态 卫星数量 卫星高度 配置 铱星(lridium)运营中(提供语音和低速数据服务)66(6 条轨道)780km 极轨道(86 度)泰利迪斯(Teledesic)已破产 840(最初规划)288(重新规划后)700km(最初规划)1400km(重新规划后)极轨道 SpaceX 星链 部署中(初步商用阶段)第一代一阶段4408
42、 颗(部署中)540km570km 328km640km 极轨道和倾斜轨道 一网(OneWeb)部署中(该项目最初由软银支持)648 颗(已规划,截至 2021 年 5 月已部署 218 颗)1200km 极轨道 亚马逊柯伊伯 规划中 3236 颗 590km、610km、630km 倾斜轨道(多层)O3b/SES“The Other 3 Bil-lion”(指地球上还未接人互联网的30 亿人口)规划中 20 颗 8062km(中轨)赤道轨道 3.1 组网架构需求 在天地一体化组网架构下,首先要保证卫星网络和地面网络的互联互通,使卫星有能力连接 RAN、核心网,甚至整个互联网,也就是和地面网络
43、互联互通时,卫星网络才能发挥其最大作用。随时随地的连接是卫星网络与地面网络融合的必要条件,也是构建天地一体化信息网络的必然需求。纵观地面网络的发展,其始终要处理好“应用”与“技术”两者之间的平衡,而 天地一体化信息网络技术研究(2023)18 天地一体化网络架构的需求也应该如此,具体如下:(1)以应用为牵引、以技术为主导构建网络。天地一体化网络架构必须以满足日益丰富的天地融合网络应用为根本,但同时要根据天、地环境的差异性,以及空间技术的发展现状,进行针对性的架构优化。(2)需从物理与功能两个逻辑概念出发对网络进行设计。在现有的文献研究中,很容易将物理实体与功能实体混淆,在天地一体网络中,一种物
44、理设施可以配备多种功能,一种功能也可以部署在多个物理设施之中,两者之间既有联系,又有区别。比如卫星是物理设施,而核心网是功能,核心网功能既可以仅部署在地面站,也可以将部分功能部署在卫星上,以优化系统流程。3.2 组网架构组成 天地一体化信息网络的组网构架可以从两种不同的逻辑角度进行设计:可以从物理逻辑角度对天地一体化信息网络架构进行设计,称为天地一体化信息网络物理架构,还可以按功能类型的不同对天地一体网络架构进行设计,称为天地一体化信息网络功能架构。3.2.1 物理架构组成 天地一体化信息网络将以陆地蜂窝移动通信网络为基础,融合空基卫星网络、天基高空平台网络、海基网络,构建多接入的融合网络架构
45、。从物理空间的逻辑视角出发,未来的天地一体化信息网络架构如下图所示。天地一体化信息网络技术研究(2023)19 图 3-1 天地一体化通信网络组网物理架构图 空基网络:由卫星通信系统构成,其中包括高轨卫星、中轨卫星和低轨卫星等。我们熟悉的地球同步卫星以及正在全球使用的海事卫星属于高轨卫星系统。在整个卫星通信系统未来发展来看,由于低轨卫星系统轨道高度相对较低,带来的明显优势就是网络时延相对较小,无线信号空间传播损耗较小、网络提供的带宽较大,可以满足移动互联网应用的网络性能需求。低轨卫星系统在未来将是空基网络的主要发展方向,也是卫星通信系统未来研究的重点。天基网络:由搭载在各种飞行器(飞机、热气球
46、、无人机等)的通信基站构成的网络。随着无人机技术的不断发展和成熟,基站体积和功耗越来越低,无人机的载荷越来越大,未来无人机基站,将可能成为天基网络的主要发展方向。地基网络:由陆地蜂窝移动通信网络构成,是天地一体化信息网络架构下,为大量用户提供通信服务的主要网络。海基网络:由海洋水下无线通信、近海沿岸无线网络、远洋船只/悬浮岛屿等构成的网络。随着全球海洋经济的不断发展,未来海洋通信领域,有可能成为新的通信市场,值得关注。(1)空基网络 空基网络的基础和核心是卫星通信网络。卫星通信是现代通信的主要方式之一,目前已有 50 多年的历史,主要应用军事和航天领域,而民用领域,尤其是 天地一体化信息网络技
47、术研究(2023)20 公共通信服务领域应用较少。典型的空基网络(卫星通信系统)由空间段、地面段和控制段三部分构成。1)空间段:主要包含一颗或几颗卫星,在空中对信号起中继放大和转发作用。2)地面段:主要由多个业务的地球站组成,将要发射的信号传送给卫星,同时又从卫星接收信号。3)控制段:由所有地面控制和管理设施组成,包括用于监测和控制卫星的地球站,以及用于业务与星上资源管理的地球站。目前卫星系统中的空间段的卫星,主要有高轨卫星、中轨卫星、低轨卫星等多种类型。1)高轨卫星:轨道高度一般 3000km 左右,而地球同步卫星,其轨道高度在 3.6 万公里左右。地球同步卫星系统覆盖范围广,覆盖范围相对地
48、面固定,一般 34 颗卫星即可完成除极地地区外的全球覆盖。2)中轨卫星:轨道高度在 2000km 以上,单颗星覆盖面积与高轨卫星相比要小很多,完成全球覆盖一般需要几十颗卫星。3)低轨卫星:轨道高度在 2002000km 左右,单颗卫星成本低,覆盖范围小,需要多颗卫星组成大型星座,以完成全球覆盖。依托低轨卫星系统可以构建低轨互联网系统,为用户提供互联网宽带接入服务,这已成为目前卫星通信系统的重要研究方向。借助低轨互联网技术,为全球用户,尤其是处于边远区域的用户提供互联网接入服务。在低轨互联网中,通过增加卫星数量,可以有效解决中高轨卫星系统,由于卫星数量少而造成的系统容量低的问题。卫星系统容量的大
49、幅度提升,能够有效满足用户宽带互联网接入需求。由于低轨互联网系统,具有巨大的应用前景,因此目前国内外已经开始布局低轨卫星通信技术和产业。(2)天基网络 天地一体化信息网络技术研究(2023)21 天基网络主要借助高空通信平台,将基站安装在长时间停留在高空的飞行器上,如飞艇,热气球等,提供通信服务。天基网络使用现有的通信技术,如 4G、5G 等等,其技术原理与陆地蜂窝移动通信网类似,最大的区别在于将基站设备安装在高空飞行平台而非地面上。一方面高空通信平台的高度远高于地面基站,另一方面,高空基站的信号辐射不受高大建筑物的遮挡,因此覆盖范围较陆地蜂窝通信网更大。另外,空基网络不需要建设固定的地面基础
50、设施,如机房,铁塔等,因此其具有受地形地物影响较小,部署机动灵活,可以作为地基网络的延伸和有效补充。但是同时也要看到,保障空基网络正常工作,需要有效解决高空基站到核心网的回传问题,以及高空基站设备稳定供电等问题。(3)地基网络 地基网络,主要由陆地蜂窝移动网络构成。陆地蜂窝移动通信网络,是为用户提供移动通信服务的主要网络,目前主要为 4G、5G 网络等。陆地蜂窝移动网络采用蜂窝结构,可以兼顾网络的覆盖和容量需求,单站覆盖半径一般几百米。(4)海基网络 海基网络,主要由建立在岛屿和大型远洋轮船上的通信设施构成。在岛屿上建设基站可以实现周边近百公里内的覆盖。在大型远洋轮船上搭移动通信基础设施,可以
51、随着大型远洋轮船的移动,可以逐步实现远洋航线周边的覆盖。3.2.2 功能架构组成 除了按物理逻辑方式对天地一体化信息网络架构进行设计,还可以按功能类型的不同对天地一体网络架构设计。从功能组成的逻辑视角出发,天地一体化信息网络继承了互联网、移动通信网以及传统卫星通信网等特征,并在此基础上,进行创新融合和发展,是一个复杂巨系统的典型实例。参考移动通信网络接入、承载、核心的 3 层架构以及地面云网融合架构,天地一体化信息网络功能架构可以划分为一体化通信系统、一体化网络系统和一体化应用系统 3 部分。其中,一 天地一体化信息网络技术研究(2023)22 体化网络系统在中间,提供“互联”基座,信息、通信
52、系统均部署或挂在网络系统之上;一体化信息系统在上,在互联基础上,打造“信息”基座;一体化通信系统在下,在互联基础上,打造“接入”基座;3 个系统联动,实现用户泛在接入、网络融合互联以及服务随心所致。图 3-2 天地一体信息网络功能构架(1)一体化通信系统 一体化通信系统是天地一体化信息网络的“四肢”,是负责用户接入相关通信功能的统称,参考地面移动通信网络,主要包括终端(space-ground integrated information network user equipment,sUE)、基站(space-ground integrated information network nod
53、eB,sNodeB)、一体化核心网(space-ground integrated information network core,sCore)。1)终端主要负责用户侧业务的承载以及与 sNodeB 之间的无线连接。与sNodeB 之间协作完成用户广播寻呼以及连接建立、切换和功率控制以及无线资源的管理与控制等功能。天地一体化信息网络中用户终端的类型多样,作为功能实体可以部署在卫星、飞机、船舰、车辆、便携以及手持终端等各类平台之上,构成涵盖海陆空天的立体用户空间,是天地一体化信息网络的核心特征之一。天地一体化信息网络技术研究(2023)23 2)基站主要负责为用户终端 sUE 提供空中接口;另
54、外 sNodeB 与 sCore 通过一体化网络系统相连,共同完成无线资源分配、调度、管理接入策略等功能。作为功能实体,sNodeB 可以部署在地面段或者空间段。其中,部署在地面的基站,即地面基站,与地面移动通信网络基站相同;部署在卫星上的基站,即星载基站,一方面需要考虑与地面基站类似的功能,即星上全处理场景,此时相当于地面基站上天;另外一方面还需要考虑卫星通信领域特有的接入方式,比如透明转发、信道化交换以及光交换等模式。3)一体化核心网主要负责用户鉴权、移动性管理、业务传输、位置服务以及策略计费等功能,是一体化通信系统的控制“大脑”,通过一体化网络系统与sNodeB 进行互连,共同完成与用户
55、相关的管理功能。可以部署在地面段,通过轻量化裁减之后也可以部署在卫星节点。其核心特征包括两个方面:一是核心网功能按需部署,可以根据应用的时延、带宽等典型特征,在天、地网络之间流动部署核心网功能,如 UPF、AMF 等,实现弹性、按需的网络服务。二是核心网功能一体化统筹,如上文的基站部署所述,天地一体化信息网络支持多样化的接入方式,既兼容地面 4G/5G 等接入方式,又兼容传统卫星通信透明转发、信道化交换以及 DVB/S2 等接入方式,还要对未来的 SaT5G(satellite and terrestrial network for 5G,卫星 5G)或 SaT6G(satellite and
56、 terrestrial network for 6G,卫星6G)等新型接入体制提供开放的环境,导致天地一体化信息网络的核心网功能必须是一体化统筹的、能够支持对各类接入方式的一体化统管。综上所述,一体化通信系统是一个涵盖了地面移动通信网、地面互联网以及卫星通信网络等多种接入方式的综合化接入系统。一方面支持全轨道(高轨、中轨、低轨以及地面)、全频谱(L、S、Ku、Ka、激光等卫星常用频段以及地面网络常用频段)接入,另外一方面支持天、地异构网络中核心网功能的一体化统筹,实现异构接入体制之间的融合互联互通。(2)一体化网络系统 天地一体化信息网络技术研究(2023)24 一体化网络系统是天地一体化信
57、息网络的“脉络”,是负责与网络传输相关的网络功能的统称。参考地面互联网、移动承载网以及卫星通信系统架构,主要包括分组路由器(space-ground integrated information network router,sRouter)、透明转发器(space-ground integrated information network trans-parent transponders,sTransPonder)、信道化交换器(space-ground integrated information network channe-lized switcher,sChannelized sw
58、itcher)、激光交换器(space-ground integrated information network optical switcher,sOptical switcher)或者光电混合交换器(space-ground integrated information network O/E switcher,sO/E switcher)以及一体化网络控制器(space-ground integrated information network con-troller,sController)等网络功能。1)分组路由设备与其他分组路由设备构建一张天地一体化的分组网络,主要为各类业务应用
59、或控制指令提供分组承载服务。分组路由设备可以部署在卫星上,即星载分路由设备,通过星间链路与其他卫星互联构成空间分组网络;也可以部署在地面上,即地面路由设备,运行模式与地面网络类似;空间与地面分组路由设备可一体化组网,构成一体化分组网络系统。2)透明转发设备与传统卫星通信系统中的透明转发器相同,即仅对接收的物理信号按照规则变频再转发,不进行解调等,主要为单星下两个用户或者地面站之间提供传输的通道,通常不直接提供跨星的传输通道。3)信道化交换设备与传统卫星通信系统的信道化交换设备相同,是一种半透明转发技术,借助非均匀滤波器组可支持任意频段、任意带宽间交互及灵活的跨波束交互,与透明转发器一样,主要为
60、单星下两个用户或者地面站之间提供传输的通道,通常不直接提供跨星的传输通道。4)激光交换设备主要负责提供光交换的功能,可以部署在空间段或地面段:部署在空间段,即星载激光交换器,是卫星节点以及用户之间实现光交换的核心设备,目前国内外均开展了星地、星间光交换的试验;部署在地面段,即地面网 天地一体化信息网络技术研究(2023)25 络常见的光交换机,负责根据所处的位置不同可以分为汇聚型和核心交换机。激光交换器与激光交换器之间通过星间/星地/地面光链路可以构成一张一体化光交换网络。5)光电混合交换设备主要为支持分组交换、光交换、信道化交换等各类交换体制而研制的混合交换设备,可以部署在空间段或地面段:部
61、署在空间段,即星载光电混合交换器,目前国内部署了相关技术攻关,并取得了显著的进展;部署在地面段,与现有光电混合交换设备类似,在此不做赘述。光电混合交换器之间通过星间/星地/地面链路可以构成一张混合的交换网络,其中单颗卫星节点之间可以形成信道化交换,星间或星地场景可以构建一体化的分组交换网络或者一体化光交换网络。6)一体化网络控制器是一体化网络系统中分组路由设备、透明转发设备、光电混合交换设备等各类交换路由设备的“控制中枢”,类似于地面 SDN 控制器,负责天、地多网系一体化的路径计算、路径规划与参数配置等功能。一体化网络控制器可以根据实际情况将功能进行拆分,比如根据星载受限资源情况,将部分部署
62、在卫星节点(即星载网络控制器),可以支持地面控制器不可见场景下网络的控制与调度;也可以将部分或全部部署在地面节点(即地面控制器),运行模式与地面网络类似。综上所述,一体化网络系统是一个涵盖了地面互联网、地面移动承载网以及卫星通信系统等多种承载功能的一体化承载网络,支持高轨、中轨、低轨以及地面节点之间的融合组网以及分组、激光、信道化等多种组网方式之间的互联融合。(3)一体化信息系统 一体化信息系统是天地一体化信息网络的“血液”,是负责云计算基础设施以及应用系统功能的统称,是一体化云基础设施与一体化应用系统融合的产物。其中,一体化云基础设施(space-ground integrated info
63、rmation network cloud,sCloud)参考地面云网融合网络的架构,主要包括天基云基础设施、地面云基础设施,构 天地一体化信息网络技术研究(2023)26 成整个天地一体化信息网络中的云基础设施,为应用系统提供“算力”基座。一体化应用系统(space-ground integrated information network application,sApp)参考地面互联网、移动承载网以及卫星通信系统的应用系统架构,主要包括(但不限于):传统应用服务系统,如移动通信网络的 IP 多媒体系统(space-ground integrated information network
64、 IP mul-timedia subsystem,sIMS),地面互联网视频、社交游戏、电子邮件、即时消息等互联网应用等业务系统;新型应用服务系统,如时空信息服务(space-time information service,sTIS)。一体化云基础设施主要面向接入、承载、核心以及信息服务等各类功能提供算力的基础设施,主要由部署在空间段、地面段以及用户段等物理空间的感知、计算、存储、网络的各类异构资源构成,通过一体化网络系统提供的连接,互联融合成为一体化的云基础设施,为各类功能提供“算力”基座。一体化应用系统是在一体化云基础设施基础上,构建各类应用服务系统。其中,sIMS 可以为天地一体化信
65、息网络提供语音服务,sApp 可以提供互联网应用,sCloud 可以提供云服务,sTIS 提供时空信息服务,目前在地面网络场景均有类似的服务模式。作为未来天地一体化信息网络的重要组成部分,应用服务功能可以部署在空间段或地面段:部署在空间段,即星载信息系统,则需要考虑星上功率受限以及星上计算存储等资源受限的客观实际,进行针对性的裁减和优化,以 sCloud 服务为例,部署在卫星上,即天基云服务,一方面可以通过星上实时处理,有效提高服务响应速度、降低数据回传的压力,另一方面却对星上的计算存储网络等各类资源都提出了新要求;部署在地面段,在此不赘述。综上所述,一体化云基础设施是一个布设在天、地网络之间
66、的计算资源,通过多星协同、星地协同等方式,构建成的空间分布式协同的云基础设施;一体化应用系统是一个继承地面互联网、地面移动承载网以及卫星通信系统等业务应用功能,并在此基础上创新发展,可以为新业务新应用提供良好生态的一体化应用系统;一体化云基础设施与一体应用系统深度融合,共同构成一体化信息服务系统。该系统也是天地一体化信息网络 天地一体化信息网络技术研究(2023)27 中“信息”两字的来源。3.3 组网架构优化 天地一体化信息组网架构的优化,需要综合考虑如下两个方面的因素:一是物理空间的约束问题。以资源极度受限的卫星节点为例,无论是计算、存储、网络等资源,还是功率、体积、质量等资源都是严格受限
67、的,因此部署功能逻辑时必须考虑客观限制条件,可以规约为计算机学科里的“背包”问题。二是网络的应用需求问题。仍然以卫星节点为例,卫星采用什么样的接入体制,决定了需要采用什么样功能的基站;卫星之间采用什么样的体制进行组网,决定了星上是否采用分组交换、光交换;卫星上是否部署核心网功能,决定了业务流量是否需要绕道地面进行端到端通信。诸如此类问题,本质是组网架构的优化设计问题,需要面向具体的应用需求,在特定卫星重量、功耗、体积等约束条件的限制下,以特定的网络系统性能指标(如时延、带宽、丢包、容量、功耗和成本等)为优化目标,进行优化求解和针对性的设计如何将合适的网络功能部署在恰当的物理空间,通常可以归结为
68、多目标优化问题。另外,需要指出的是,只有面向特定应用、面向特定优化目标(时延、带宽等)的最优化组网架构,通常难以存在普遍的最优化架构。3.4 组网架构挑战(1)整体结构复杂 面向未来 6G 的空天地一体化通信网络,包括高、中和低轨道地球卫星构成的空基网络,特殊场景应急通信相对静止的高空气球、飞行速度低的飞艇和相对高速的无人机组成了天基网络,以及传统的公用陆地通信网络,网络节点具有立体多层次分布、高速运动及组网特性不均等特点。因此天地一体化信息网络具有 天地一体化信息网络技术研究(2023)28 网络组成结构差异大,网络资源难以统一整合,无法形成高效的服务保障;通信协议差别明显,信息传输时的协议
69、转换开销高;网络管理和控制功能分散,网络管理效率低、复杂度高;用户和业务分布不均匀,网络拓扑和架构动态变化的特点。(2)业务连续能力 基于天地一体化信息网络构架的 6G 网络面临着天基和空基网络节点高速移动导致的网络拓扑高动态性,不同层的网络传输时延差异大,网络通信链路性能变化大,以及星地、星间和空基链路稳健性差等多尺度异构网络组网难题。同时由于低轨卫星的快速移动,针对固定区域,将频繁出现服务卫星变化的现象。当区域内的用户较多时,将出现群组用户的星间切换问题。由于天地一体化信息网络包括多类型、大容量和分布不均衡的业务,卫星之间存在着复杂、高效、可靠及安全的路由转发等难题,因此网络路由建立、维护
70、等具有巨大的复杂性。为了保障未来各类场景通信业务的服务质量,实现业务数据流不间断地可靠连接,突破现存的各类异构网络之间烟囱式的自我封闭性,保障空、天、陆和海之间业务的连续性、持续性,将是未来空天地一体化信息服务对网络提出的挑战之一。(3)服务保障能力 基于天地一体化信息网络构架的 6G 网络将提供全场景服务,网络应能根据不同的业务需求提供匹配的网络服务能力,例如在某些业务场景中,终端需要同时接入多种卫星网络或地面网络。同时天地一体化信息网络面临着链路时延抖动大、用户和馈电链路切换频繁等问题,因此如何感知业务需求,并提供相应的网络服务,以及如何实现面向天地一体化信息网络的服务质量保障,是天地一体
71、化信息网络在业务支撑方面面临的挑战。4.天地一体化信息网络关键技术方向 地面移动通信网络和非地面卫星网络各自已经发展了数十年,由于各个网络 天地一体化信息网络技术研究(2023)29 的应用环境和业务承载不同,因此造成了技术体制存在较大差异。建设天地一体化信息网络,需要实现地面网络和非地面网络的有效融合,但是正如中国工程院邬贺铨院士提到的,星地融合是 6G 发展的难点。目前阶段关于天地一体化架构下的星地融合技术,业界还在探讨中,目前阶段并没有公认的、成熟的解决方案,因此在这里提出一些解决星地融合的关键技术方向,这些技术方向,都是业界需要进一步研究和解决的。4.1 技术架构研究方向(1)高效联合
72、传输机制 在未来天地一体化信息网络中,卫星可能是数千颗甚至数万颗,这将会在地面形成多重覆盖的场景,不同卫星之间会相互干扰对方的数据传输,进而影响系统的能量效率和频谱效率。这就需要多星协作或星地协作下的高效联合传输机制,以减少多重覆盖下的干扰问题,提升系统的资源效率。此外,未来的卫星将承载地面基站的部分或全部功能,数据的处理都在卫星侧。这样可以减少对地面的依赖,缩短调度的时延,为联合传输的实现提供了更加有力的条件。(2)多波束天线 多波束天线技术利用星载多波束天线可实现有限频率资源的高效空间复用和极化复用,从而极大提升了系统容量。目前,星载卫星多波束天线分为星载反射面多波束天线、星载相控阵天线、
73、星载透镜天线。反射面多波束天线具有重量轻、结构简单、设计技术成熟、性能优良等优点,常用于满足实现较大电口径、数百个点波束的卫星需求。相控阵多波束天线可以通过对相位和幅度的调整来实现波束调形、波束扫描以及波束间功率频率的分配,还可通过使用自适应调零实现抗干扰技术,能灵活地适应用户需求的变化以及覆盖区内业务的不平衡分布特点。由于目前 Ka 频段星载器件功耗及效率约束,相控阵多波束天线在高频段产生的波束相对较少,如欧洲量子卫星仅提供 8 个收发波束。透镜天线是几何光学 天地一体化信息网络技术研究(2023)30 原理在无线电频率范围的一种应用,优点在于有更大的设计自由度,具有很好的旋转对称性,保留了
74、良好的光学特性,无口径遮挡。但这类天线在低频段也具有质量大、损耗大等缺点,目前尚未见到在轨应用。除了星上波束成形,地基波束成形(Ground Based Beam Forming,GBBF)技术将波束形成的大部分功能模块移至地面完成,星上只保留天线、射频转发网络以及进行少量的数字信号处理功能,在满足通信灵活性的同时,极大地减少了载荷的质量和功耗。为了使有限的功率资源、处理资源与实际需求相匹配,以适应业务量分布不均的场景,还常使用跳波束(Beam Hopping,BH)技术。BH 技术对时间进行分片,在同一时刻的多个可用波位上只有一部分点波束同时覆盖,减少了同时形成点波束的数目,简化了载荷设计。
75、(3)新波形与多址接入 针对未来天地一体化下的部署场景需求及更高的频谱效率需求,需要研究抗大时延与频偏的高鲁棒性波形设计,并根据目标场景和业务的不同,灵活选择子带带宽、子载波间隔、滤波器长度和循环前缀等系统参数,实现统一兼容的波形框架设计。此外,卫星物联网也是未来天地一体化的重要应用场景。需要引入基于非正交的传输技术,同时实现免调度技术。(4)用户接入控制 天地一体化信息网络具有时空跨度大、网络拓扑高动态变化、用户广域分布和突发接入需求量大等特点,同时需要面向陆、海、空、天各类用户提供差异化服务。仅以用户接入速率为例,不同用户接入的信息速率差异很大,如何解决高并发、有差异化服务需求的用户接入控
76、制问题,需要研究面向差异化服务需求的用户接入时变信道的速率自适应传输、时变网络结构的接入切换控制、时变网络资源的按需自适应灵活分配等关键技术,以提高空基网络用户接入的可靠性,提升用户信息端到端传送服务的能力。(5)网络安全防护 天地一体化信息网络技术研究(2023)31 天地一体化信息网络中卫星节点和星间/星地链路暴露在空间,更加容易受到人为干扰、窃听、网络入侵、病毒植入和拒绝服务等网络攻击。此外,还面临多用户类别、资源异构、复杂服务和多级安全等需求,需要解决天地一体化信息网络安全防护架构设计、网络安全功能内嵌、密码按需服务和分级安全防护等问题,确保天地一体化信息网络安全可靠运行。针对网络安全
77、防护架构设计和网络安全功能内嵌问题,业界提出了可基于“拟态防御”的思想,采用“动态异构冗余多模裁决异常清洗”的网络防御模式,实现安全功能内嵌,能够对“已知的未知”风险或“未知的未知”威胁实施可度量的安全防护。另外针对密码按需服务和分级安全防护等问题,可以开展跨用户域/网络域/应用服务域的密码资源统一管理与调度、星载资源受限设备轻量级可重构密码算法、多级安全加密和密码业务处理等关键技术研究,为天地一体化信息网络实体安全认证、信息保密传输和应用服务系统安全防护提供密码技术支撑。(6)星座设计与优化 星座设计是空基网络的一项专有的技术,是对空基星座网的构型、卫星节点轨道/频率、星间/星地互联链路等的
78、总体设计,其目标是用最少的卫星节点和最佳的性能实现对指定区域的覆盖。在设计中,既要面向各类应用系统的服务范围和服务对象做“设计”,又需要结合空间卫星节点的轨位和频率等实际情况反复做“安置性”的优化。从网络中卫星节点所处轨道位置来看,由于 GEO 卫星节点对地相对静止,卫星节点间的网络拓扑相对固定,往往会成为构建天基星座骨干网络的首要选择;而在非 GEO 卫星节点网络方面,由于不同轨道的卫星节点提供不同覆盖范围、传输速率、业务支持能力,因此其星座构型、轨道和频率等都需要进行优化设计。(7)多级池化分流算存技术 面对天地一体化信息网络中巨大网络数据量的存储和计算需求,天地一体化信息网络的存储和计算
79、需要进一步优化。算存一体技术可以很好地满足这一需求。天地一体化信息网络技术研究(2023)32 这种技术将多种类型的计算和存储集成到一个芯片上,用以消除海量数据存取和超大算力处理并行的时延。算存一体技术可以消除传统的数据中心集中式存储产生的“存储墙”瓶颈的问题,通过直接利用存储器结合内部算数逻辑单元实现对数据的就近处理。通过云原生技术,对天地一体化信息网络中的多类异构计算架构进行统一抽象和虚化,实现对全局数据资源的动态高效存储和对海量算力的实时处理,形成多级虚拟化的存算一体单元,最终形成多级池化分流,解决数据洪流和算力分配不均衡的问题。通过多级池化分流的算存一体技术,有望构建新的分布式计算机体
80、系架构,实现空、天、地基的接入端算存,传输路由端算存和中心端算存。通过算力编排层中的智能算法将数据和算力按用户行为进行动态分配,保证天地一体化信息网络高效可靠的服务。(8)基于区块链的可信传输技术 为了在天地一体化信息网络中提供可信的算力服务,一方面需要利用个性化的用户日志数据以追踪用户节点的行为并记录节点的日常活动;另一方面,需要大幅提升网络的可信传输。区块链技术去中心化、透明化、不变性、可追踪性和可信传输等特点可以满足未来天地一体化信息网络的算力需求。区块链技术有两种应用方式:一种方式是独立成链,用户请求的数据通过网络感知得到的算力负载作为基础来划分多个任务,每个任务在天基网络、空基网络和
81、地基网络各自形成独立的区块链来保证在传输过程的信息有效性和准确性。区块链作为一种分布式的共享数据账本技术,利用记录在区块链上的数据只能增加和无法篡改的特性,可以实现天基网络、空基网络和地基网络中的全流程监控,重点记录各传输、计算节点的日志信息。另一种方式是跨链联合传输。在这种方式下,若一个可信传输链出现中断,如卫星的高速移动经常出现用户脱离覆盖区,或者出于负载均衡的目的,需要通 天地一体化信息网络技术研究(2023)33 过一条中继区块链协助跨链合作。中继区块链不需要很高的存储,因为它的作用主要是记录源和目的区块链交易的区块头信息。(9)新型编址寻址技术 由于空基网络中的卫星相对地球高速移动,
82、使得网络中的卫星存在全球高动态时变以及星间与星地链路的拓扑频繁变化的特点,从而导致与地面固定位置对应的卫星编址不稳定。采用基于星下点轨迹、递归可扩展的层次化 IP 编址方案可能成为解决此类问题的一大方案,其核心思想是利用空间卫星的运动特征对全球地表位置进行层次化分区和编码,从而打破异构网络之间壁垒,化异构互联为同构融合,在高动态环境下确保天地一体化信息网络的稳定与高效。(10)新型路由技术 在天地一体化信息网络中,由于卫星高速移动所导致的卫星网络内部与地面网络之间连接关系是不断变化的,现有的路由机制受到频繁切换的影响极大。因此一种适用于高移动性的算力路由技术需要被重视研究。当卫星网络仅承载简单
83、业务时,相对于星间链路的高速传输能力而言,卫星接入的业务负载较轻,发生网络拥塞的概率较低。此时,具有较低复杂度的静态路由算法就足以解决网络路由问题。然而,当需要承载宽带多媒体业务时,网络业务负载显著加重,星上存储开销和维护开销急增,星上面临路由表爆炸问题,对网络可用性造成极大影响。考虑在星座网络中业务的地域分布极不均匀的特证,如果采用动态路由算法,则可以减小网络拥塞概率,提高网络的利用率和承载能力。基于这个思路,可分为两个方向去研究:一为基于时隙空间的动态调整的路由算法,主要以时间和空间的动态规律来设计算法对星上路由进行流量调度;二为基于流量预测的智能路由算法,主要是以机器学习或深度学习方法对
84、流量的产生进行预测调度。天地一体化信息网络技术研究(2023)34 4.2 网络管理研究方向(1)移动性管理 低轨道卫星是天地一体化信息网络的重要节点。卫星移动速度高达 7km/s 以上,每个星波束服务用户的时长可能只有几十秒,这将会导致频繁的波束切换。整网用户的频繁切换将会给系统带来无法承受的信令开销,对用户服务的连续性带来极大影响。因此人们需要研究星地融合统一的移动性管理方案及切换策略,简化切换流程,降低信令开销,提高切换可靠性。切换的场景可能包括相同卫星的星内波束切换、不同卫星的星间波束切换或多连接情况下不同星地通信系统之间的切换等。(2)频谱管理 频谱资源是无线通信系统的命脉,而新一代
85、移动通信技术的产生必然带来新的频谱需求。在无线通信系统的演进的过程中,为了维护网络服务的连续性和经济性,新旧系统网络会长期并存,且旧系统的频谱短时间内不会释放,这就增加了新一代通信网络频谱选择的困难性。为了满足未来通信传输速率需求,除了增加新的频谱(如太赫兹和可见光),还需要在频谱管理方面进行研究,具体包括:频谱重耕,为新一代的通信系统提供更多的低频段可用频谱资源;动态频谱共享技术,以感知无线电技术为基础,使异系统间或同系统异设备间可以共享同一段授权或非授权频谱,以解决固定频谱分配策略带来的频谱闲置和利用率不高的问题;提升频谱效率的物理层技术,如能够减少带外泄露的新波形调制技术、非正交多址技术
86、、超大规模智能天线技术等。(3)网络运维管理 天地一体化信息网络面临多尺度、多资源、异构性的复杂服务需求,如何获取有效而充分的网络资源,需要解决网络管理体系架构设计、网络资源优化利用和服务资源协调管理等问题,实现网络效能最大化和应用满意度最大化。针对网 天地一体化信息网络技术研究(2023)35 络管理体系架构和服务资源优化问题,可基于面向服务的框架体系(SOA),采用基于企业服务总线(ESB)的服务资源发现、挖掘、注册和管理方法,通过信息传输、格式转换、服务资源接口标准化、资源协同调度等技术方法,实现异构服务的重复高效运用,并采用模式匹配、事件序列分解、复杂语义检测、关键序列标定等方法,实现
87、实时事件流分析和服务资源匹配优化。针对网络多维资源优化问题,可面向分布式资源管理,采用凸优化、稳健性优化和多目标优化理论,在多尺度下优化带宽、功率、波束、路由和转发器等网络资源,有效提高网络资源使用效率,提高网络服务效能。(4)仿真验证及评估 天地一体化信息网络组成单元及相互通联关系动态复杂,涉及的关键技术和服务对象众多,需要依托 OPNET、NS2 等仿真平台,构建完善的天地一体化信息网络仿真系统,建立不同轨道卫星节点的通信体制模型和不同轨道网系的网络模型库,开展信息传送层、网络服务层、应用系统层面的仿真研究。对关键算法和网络的整体性能指标、互联互通能力、资源利用率、运行状态等进行能力和运行
88、情况仿真,对组网拓扑架构、路由与交换、网络安全防护、网络运维管理等技术体制进行仿真与验证,为不同任务类型网络的通信技术体制选取、性能指标设计提供支撑。并针对不同任务类型,合理选取效能评估方法和评价指标,构建面向多任务的网络总体效能评价体系,并与网络体系结构设计形成反馈迭代优化。5.天地一体化信息网络资源管理 天地一体化信息网络各节点的计算、存储、无线与能量资源都是有限的,而用户的业务规模、对算力的需求却与日俱增,不同的业务需求在节点、链接、功能和规模等与其他网络不同。为了满足用户不同类型的业务需求,空天地一体化网络应根据业务类型的特点,合理制定网络内活动基站节点的选址,实时动态地管理、调整网络
89、内各项资源,包括无线资源、算力资源和存储资源等。天地一体化信息网络技术研究(2023)36 5.1 天地一体化网络活动基站节点选址 相比于基站固定的地基网络和卫星移动轨迹固定的天基网络,空基网络的无人机、飞艇等空基节点具备高度的移动性和灵活性。搭载活动基站的空基节点可以在地面人员的控制下部署在距离地面120 km空域内的任意位置,实现接入网或者中继通信的功能。三维的广域空间给活动基站的选址要保证QoS的同时,尽可能地覆盖并服务更多用户。为了降低活动基站在广域三维空间中选址的复杂度,通常会将三维的选址问题分解为水平面的选址问题和垂直面的选址问题。此外,空基网络主要承担接入网的功能,因此,在活动基
90、站选址的同时,往往需要考虑用户的传输速率需求、信道质量等信息,为每个用户选择合适的活动基站节点作为接入基站。根据活动的选址是否需要全部活动基站节点的信息,活动基站的选址可以分为集中式选址和分布式选址。5.1.1 集中式活动基站选址 首先对用户与活动基站之间的路损、距离等进行建模;然后依次进行水平面和垂直面的活动基站选址。(1)水平面的活动基站选址。活动基站的水平面选址问题可以建模为在各个活动基站的带宽受限、活动基站覆盖边缘的路损不超过阈值的情况下,通过优化各活动基站的覆盖半径以及水平面坐标,以最大化各活动基站覆盖的用户总数。通过遗传搜索算法对该问题进行求解,将经过迭代搜索得到的活动基站水平面坐
91、标和覆盖半径作为活动基站的水平面选址结果。(2)垂直面的活动基站选址。在固定各活动基站的水平面坐标和覆盖半径的情况下,路损是活动基站高度的凸函数。可以将能够最小化活动基站覆盖边缘 天地一体化信息网络技术研究(2023)37 路损的高度作为活动基站的垂直面选址结果。5.1.2 分布式活动基站选址 采用分布式活动基站选址方法时,活动基站的选址问题可以建模为在满足各个用户传输速率需求、各个活动基站的带宽受限以及各条接入链路的频谱效率不低于阈值的情况下,通过优化各个用户的接入基站以及各活动基站的三维坐标,以最大化活动基站能够提供的总传输速率。该问题可以进一步分解为水平面 的活动基站选址问题和垂直面的活
92、动基站选址问题。(1)水平面的活动基站选址。首先,随机初始化各个活动基站的水平面坐标;然后,活动基站与用户之间通过相互选择的方式确定用户的接入基站,在相互选择的过程中,各个用户优先选择频谱效率高的活动基站作为接入基站,活动基站优先选择带宽占用少的用户作为接入用户;接下来,将活动基站的水平面坐标更 新为活动基站所服务用户的重心位置坐标;最后,重复活动基站与用户之间的相互选择过程以及相应的坐标更新过程,直至活动基站的水平位置坐标不再发生变化,将此时各活动基站的水平位置坐标作为活动基站最终的水平面选址结果。(2)垂直面的活动基站选址。首先固定各活动基站的水平位置坐标,以及各用户接入的活动基站,接下来
93、统计各活动基站在相邻基站的干扰下所能提供的局部总传输速率,然后在离散的高度域中搜索最优高度解,使得各活动基站的局部总传输速率能够实现纳什均衡。活动基站在分布式选址的过程中,各活动基站仅依赖相邻基站、用户的信息确定三维坐标。相比于集中式活动基站选址,分布式活动基站选址可以在一定程度上节省活动基站选址时的信令开销与计算复杂度,当活动基站、用户加入或退出空基网络时,可以更快速地更新各活动基站的选址位置。为了更好地应对天地一体化网络应用场景在无线资源管理、计算资源管理、天地一体化信息网络技术研究(2023)38 智能化资源管理决策的新需求,在设计资源管理技术时,首先需要面向无线频谱资源高隔离需求,设计
94、资源隔离性能评价指标,实现对不同接入切片隔离性能的评估,并设计基于隔离度指标的无线频谱资源管理方法,实现对天地一体化接入网无线频谱资源的高隔离管理;然后,对于多维跨域计算资源的管理需要跨域协同,需要引入移动边缘计算与虚拟化技术,对全球边缘计算资源进行虚拟化编排设计,保障全球多维跨域资源可虚拟化调度与协同;最后,由于使用传统优化算法导致复杂异构的天地一体化信息网络资源管理决策实时性差,需要引入模型与数据联合驱动的思想,将传统通信领域的经典与先进模型和实际运行数据相结合,并利用智能化手段提升决策效率,从而保障实时决策需求。5.2 天地一体化网络资源管理技术 5.2.1 高隔离无线频谱资源管理技术
95、针对无线频谱资源高隔离的需求,为了保障未来天地一体化接入网中接入用户与业务的QoS,迫切需要设计资源复用和隔离联合优化的天地一体化接入网切片无线资源分配机制。利用基于最优保留与矩阵编码的改进遗传算法对无线资源的分配方案进行决策与动态调整,可以在保障天地一体接入网切片系统隔离性能的基础上,最大化天地一体化系统的资源共享能力,最大限度提升有限的资源利用率,实现高隔离无线频谱资源管理。对于隔离性能的评估而言,根据中国移动2020年3月发布的网络切片分级白皮书,从性能指标、功能差异、对网络的需求、运维模式等方面进行分析,可以将用户对5G的需求归纳为两大类:公众网用户需求和行业网用户需求。5G公众网与行
96、业网既有共享又有隔离,为应对这两大类5G网络切片的需求,综合考虑网络隔离性以及部署运营要求,利用切片中资源的实际变化量定义无线资源隔离性能指标和无线资源复用增益指标,分析无线资源隔离性能和无线资源复用 天地一体化信息网络技术研究(2023)39 增益之间的关系。通过这种从资源层面定义隔离指标的方式,可以实现对不同隔离等级的量化,满足不同等级的切片隔离性能的评估要求。针对现有空天地海的多样化业务无差别共用网络资源,业务之间相互影响导致各项业务的性能要求难以保障,解决这一问题的一种可能的方法是在空天地海一体化网络中建立端到端的网络切片。网络切片的目标是在物理网络上建立起多个专用的、相互隔离的网络切
97、片实例,使得不同业务可以由不同的网络切片实例负责支撑,通过网络切片实例之间的隔离性保证业务之间不会相互影响。网络切片实例可以被视作是建立在物理网络上的逻辑网络,包含了网络运行所必需的全部网络功能、网络资源以及拓扑连接。端到端的网络切片实例由接入网切片实例、承载网切片实例、核心网切片实例3个子网切片实例组成,根据业务的需求,各子网切片实例占用的网络资源可以按需定制。网络切片的部署是高度灵活的,在业务层面,1个业务可以由多个网络切片实例负责支持,同时1个网络切片实例可以支撑多个业务;在功能层面,1个网络功能(如核心网的控制面功能)既可以被1个网络切片实例单独占用,又可以被多个网络切片实例共享。根据
98、3GPP的规范,1个网络切片实例的完整生命周期包括准备、实例化配置与激活、运行和停运4个阶段。准备阶段主要负责将业务的服务需求抽象为网络切片实例需求,根据需求加载创建网络切片实例所 必需的网络切片模板,准备支持网络切片实例完整生命周期的网络环境。在实例化配置和激活阶段,网络切片实例需求将进一步向各子网传递,用于各子网网络切片实例的专用或共享网络资源将被配置,按照网络切片模板生成的网络切片实例将被激活。在运行阶段,网络切片实例开始承载业务流量,同时,网络切片管理单元将对业务的关键性能指标(Key Performance Indicator,KPI)进行监测和上报。为了更好地保障KPI,运行阶段允
99、许动态的对网络切片实例进行修改,包括网络功能的升级、容量的扩容以及网络拓扑的变更等。在停运阶段,网络切片实例将不再承载任何业务流量,与网络切片实例相关的专用、共享网络资源和网络功能也将被回收。天地一体化信息网络技术研究(2023)40 在空天地海融合组网场景下,空天网元节点随时间的移动会导致网络拓扑发生频繁的变化。相比于地基几乎静态的网络拓扑,在高度动态的网络拓扑下直接进行网络切片的部署以及相关资源的分配将面临着巨大的挑战。因此,为了降低网络切片部署与管理的难度,一种可能的解决方案是首先将动态的网络拓扑抽象 为多个静态网络拓扑的集合(例如,将一段连续的时间分割为多个时段,在各个时段内,对应的网
100、络拓扑不会发生变化),然后分别在每个静态网络拓扑上进行网络切片的部署和管理。但是,由于这种方法需要在每个时段重新进行路由的计算与更新,当网元节点的规模数量较大时,将占用网元节点较多的计算与存储资源,因此,该方法仅适用于网元节点数量较少的融合组网场景。一种更通用的解决方案是采用虚拟小区的方式,地球表面被划分为多个Voronoi形状(泰森多边形)的虚拟小区,切片的部署将在静态的虚拟小区层面上进行,在移动中处在某个虚拟小区范围的卫星、无人机等网元节点将负责该虚拟小区范围内的数据包处理和传输工作。5.2.2 跨域边缘计算资源协同管理技术 在天地一体信息化网络中引入多接入边缘计算(Multi-acces
101、s Edge Com-puting,简称 MEC)可以为网络在降低传输时延、优化缓存资源及节省回传带宽等方面带来无可比拟的优势。(1)降低网络传输时延 在空天地一体化网络中,低轨道地球卫星运行轨道与地面用户终端的距离很远,与目前的地面网络传输相比,物理上传输距离的增加,势必带来传输时延的增加。因此在空天地一体化网络中引入了多接入边缘计算技术,这样来自地面用户终端的数据计算任务,可以直接卸载到低轨道地球卫星上进行处理;而未引入此项技术前,则必须通过低轨道地球卫星的回传链路,将计算任务卸载到地面的云数据中心而处理。多接入边缘计算技术能够解决因卫星到地面终端回传链路流 天地一体化信息网络技术研究(2
102、023)41 量大而导致的传输时延增加问题,可以有效提高星地节点间的通信交互效率,避免了不必要的星地原始数据交换。(2)优化缓存资源 优化缓存资源是多接入边缘计算网络资源管理的显著优势,可以提高用户的体验。通过在空天地一体化网络的边缘部署多接入边缘计算缓存技术,并分析客户的行为,网络可以动态利用空闲时的回传链路资源,提前将终端用户潜在的内容需求部署到空天地一体化网络的用户侧。当终端发起内容请求指令时,网络能够从边缘计算服务器的缓存空间中快速读取请求内容,提高了终端用户的体验,还可以缓解回传链路在高峰通信时段的数据传输负担。(3)节省网络回传带宽 在空天地一体化网络中,针对需要数据采集的业务,如
103、原始森林的防火视频监控类,通常是将本地采集的视频业务数据先上传到云数据中心进行存储,当本地数据显示端有需求时,再下发数据,此种数据流往往需要占用大量的地面有线或者无线的回传带宽,甚至是卫星中继链路。而将多接入边缘计算技术应用在空天地一体化网络的服务器上,可以有效满足这类大码流数据传输对带宽的需求,大幅度降低了视频业务的传输时延以及带宽成本,解决了空天地一体化网络中卫星与地面传输链路在物理上的带宽受限以及传输时延大等痛点。目前,已经商用的卫星通信网络与传统的陆地蜂窝移动通信网络一直是烟囱式的发展模式,各自独立组网,系统间难以自由互通,无法满足未来信息综合利用的需求。这就需要将现有的卫星通信网络与
104、陆地移动通信网络深度融合,以形成高效的智能网络,提升传输效率,优化网络性能,降低建设成本与运行维护成本(CAPEX 和 OPEX),提高网络部署的灵活性及业务传输的质量。根据计算卸载机制,通过使用 MEC 技术,能够将业务卸载到不同的网络节点上,并细化不同节点的虚拟网络功能,实现高效的业务管理,这不但提高了网络的灵活度,天地一体化信息网络技术研究(2023)42 而且提供了改善 QoS 服务质量的全球多媒体服务,确定了有关移动性管理、资源管理和路由等问题的解决方案。面向天地一体、多场景多业务背景,广泛地理位置分布的卫星MEC系统与多类型地面MEC系统的多维跨域计算资源需要协同处理的需求,联合考
105、虑低轨卫星的移动性,需要应用天地一体跨域边缘计算资源协同管理技术。通过综合考虑天地一体多场景多业务地理分布情况,跨域地面节点、信关站、卫星MEC资源实际情况,低轨卫星运行轨迹与覆盖范围预测,系统内平均业务时延需求,在设计多维跨域计算资源切片协同管理机制时,首先需要预测卫星轨道的运行规律,然后根据差异化业务的QoS需求以及星间、星地、地面MEC计算 资源的状态,通过设计高效的MEC计算任务卸载与迁移方案,降低任务传输与处理时延,满足不同类型业务QoS,并优化偏远地区、应急区域的服务时延与服务质量,实现对天地一体场景下业务与资源的协同适配和资源配置决策。在完成计算资源配置决策后,需要利用网络切片对
106、天地计算资源进行编排管理。网络切片资源编排的核心是将各域网元进行虚拟化,利用资源编排管理机制对各虚拟网元进行灵活管控,是后续快速行成天地一体化多场景差异化切片的基础。虚拟网元资源编排需要统一、灵活组织对处理资源各方面的需求,包括计算能力需求、内存需求、网络需求、镜像需 求等,需要统一多域的需求并能灵活管控虚拟网元的整个 生命周期,从而可以快速更新转换虚拟网元的各种状态,完成虚拟网元的资源编排管理。5.2.3 模型与数据联合驱动的资源管理算法 针对复杂异构天地一体化信息网络实时决策需求,本小节对模型与数据联合驱动的资源管理算法进行讨论,分析其优势与发展前景,为制定资源实时调度决策提供思路。由于天
107、地一体化接入网切片系统中持续增长的网络复杂度、用户差异化的业 天地一体化信息网络技术研究(2023)43 务需求对网络资源的实时调度与分配带来了多方面的问题与挑战,需要能够兼顾低时延与低能耗的天地一体化接入网切片资源管理与调度方案,实现对高动态与差异化业务需求的复杂网络的QoS保障。相较于其他研究领域,无线系统经过5代的研究与发展,已有海量可用的数学模型对实际系统进行描述。这些数学模型可以作为先验知识,用于AI算法的初始化探索学习,减少数据量,降低计算复杂度与 能耗,降低网络开销;同时,利用AI进行大数据训练,可以弥补未来天地一体化接入网切片系统中模型对于实际复杂无线场景的数学描述精确度低、灵
108、活性差的缺陷。未来有望通过模型与数据联合驱动的资源管理算法,将传统模型的高执 行效率与现有数据和AI算法的高自适应性能相结合,充分发挥二者的优势;并相互弥补对方的缺点,从而提升网络的自适应性,更高效地实现高动态网络中的自适应 资源重分配与调度策略生成,大大降低优化问题的复杂性;实现实时资源分配与调度,降低时延与能耗,提升业务处理效率,从而更好地保障用户的QoS。这是未来天地一体化接入网切片资源智能、动态分配与调度的可行方案。6.天地一体化信息网络发展现状 在天地一体化信息网络中,空基网络,也就是卫星通信网络是未来发展的重点方向,也是业界研究的重点,因此介绍天地一体化信息网络发展现状中,重点介绍
109、卫星通信网络的发展现状。6.1 基于 GEO(高轨)星座网络 自从 20 世纪 60 年代第一颗 GEO 商用卫星(晨鸟号)升空以来,GEO 卫星通信系统的技术已经非常成熟。GEO 卫星节点在赤道上空距地面 35800km 的轨道上运行,从理论上讲,3 颗 GEO 卫星节点即可以实现全球覆盖,因此,基于GEO 卫星节点来构建天地一体化信息网络是一种最简单的模式。下面介绍两个典型的 GEO 星座系统发展现状。天地一体化信息网络技术研究(2023)44 (1)国际移动卫星(Inmarsat)系统 Inmarsat 是国际上最早提供覆盖全球的商用卫星移动通信业务的运营商。Inmarsat 始建立于
110、1979 年,早期主要从事全球海事卫星通信服务,后来其运营范围逐渐扩展到了航空通信和陆地移动通信,1994 年“国际海事卫星组织”改名为“国际移动卫星组织”,但其英文缩写不变,仍为“Inmarsat”。Inmarsat 系统是典型的“天星地网”形态,由空间段、地面段和用户段组成。Inmarsat 的空间段由其在空间运行的各种卫星节点组成。目前,Inmarsat 已经发展到第五代系统,在轨运行的共 13 个 GEO 卫星节点,分别是 5 个使用 L频段的 Inmarsat 第四代(I4)卫星节点,5 个使用 Ka 频段的第五代(GX)卫星节点(GX5 卫星于 2019 年 11 月 26 发射升
111、空),以及其他一些用于局部区域增强的卫星节点(例如,服务于欧洲航空网络 EAN 的 S 频段卫星 I-S 节点,覆盖欧洲、中东和非洲的 L 频段卫星 Alphasat 节点)。Inmarsat 空间段的这些卫星节点之间没有星间链路。Inmarsat 的地面段由网络运维中心(NOC)、汇接点(MMP)中心和分布在世界各地的卫星关口站组成,网络运维中心(NOC)设在英国伦敦 Inmarsat 的总部,用于完成对 Inmarsat 卫星节点和地面网络的管理与控制;Inmarsat 有 3 个地面信息汇接中心,分别位于美国的纽约、荷兰的阿姆斯特丹和中国的香港,用于汇接附近区域地面关口站的信息并接入地面
112、光缆网,实现 Inmarsat 业务与地面互联网和移动通信网业务的互联互通;Inmarsat 在全球设有 11 个关口站,分别部署于美洲的美国和加拿大(2 个),欧洲的意大利、荷兰和希腊,大洋洲的澳大利亚(2 个)和新西兰(2 个),以及太平洋上的夏威夷(美)。Inmarsat 的用户段由各类船载站、机载站、LEO 星载站,以及陆地岸站和用户手持终端站等组成,为世界各地的用户提供卫星电话和数据服务。(2)美军先进极高频(AEHF)卫星通信系统 随着美军“军事星Milstar”系统的退役,AEHF 卫星系统成为了美军新一 天地一体化信息网络技术研究(2023)45 代的受保护卫星通信系统,可以为
113、美军及盟军提供安全、受保护和抗干扰的全球军事卫星通信服务。AEHF 系统比 Milstar 系统具有更大的传输容量和更高的数据速率,每颗 AEHF 卫星的总通信容量比由 5 颗卫星构成的整个 Milstar 星座还要大,同时响应时间也更短,能够更好地支持美军的带宽需求和快速反映服务需求。AEHF 卫星通信系统是典型的“天基网络”形态,由空间段、任务控制段和用户终端段组成。空间段由 6 个 GEO 轨道上的 AEHF 卫星节点构成,2020 年 3 月27 日 AEHF-6 卫星发射升空,完成全系统组网。AEHF 卫星节点具有星上处理和星间链路能力,其上行链路采用 EHF 频段(44GHz),下
114、行链路采用 SHF 频段(20GHz),数据速率范围为 75bps8.192 Mbps。这些卫星节点通过 V 频段(60GHz)双向的 60Mbps 星间链路互联构成 AEHF 卫星星座,提供的通信服务覆盖范围从地球北纬 65 到南纬 65,使得 AEHF 星座具有覆盖全球(除了南北极之外)的端到端全程信息处理与传送能力,而无须地面固定关口站和网络的参与。这就减少了卫星通信系统对地面支持系统的依赖程序,使 AEHF 卫星通信系统在地面控制站被毁坏后至少还能自主工作 6 个月。6.2 基于 LEO(低轨)星座网络 LEO 低轨星座采用运行在低地球轨道(距离地球表面 200km2000km)的卫星
115、群提供宽带互联网接入等通信服务,具有低时延、信号强、可批量生产和成本低等特点,能够进一步满足人们对全球无缝覆盖的宽带网络服务需求。早期的低轨通信星座主要有铱星、全球星和轨道通信卫星系统等,现在都已升级换代,其中铱星二代系统开始提供宽带数据服务。目前,国外多家企业都开始提出自己的低轨互联网星座计划,以 SpaceX 公司为代表的企业开始主导低轨互联网星座建设,目前进入密集部署阶段;英国的“一网”星座已发射 7 批共 218 个卫星节点;加拿大的 TeleSat 和亚马逊的 Kuiper 星座有待实施;国内“虹云”“鸿雁”“天象”“银河”相继发射了验证卫星。目前全球低轨互联网星座发展正在进入一个高
116、潮期。天地一体化信息网络技术研究(2023)46 (1)“铱星”(Iridium)二代系统投入运营并提供宽带服务 美国摩托罗拉公司 1987 年提出了第一代“铱星”全球移动通信系统,“铱星”一代系统 1996 年开始试验发射,1998 年投入业务运营,其空间段由 66 个重量较轻的小型卫星节点和数个备用卫星节点组成,运行在 780km 的太空轨道上,使用 Ka 频段与关口站进行通信,使用 L 频段和终端用户进行通信交互。“铱星”系统经历了 2001 年的破产重组后,为取代逐渐进入寿命终期的“铱星”一代星座,铱星公司 2005 年启动了“铱星”二代系统的部署。从 2017 年 1 月 14 日到
117、 2019 年1 月 11 日,75 个“铱星”二代卫星节点(66 个在轨工作卫星节点和 9 个在轨备份卫星节点)分 8 次成功部署,单个卫星节点的质量为 860kg,设计在轨使用寿命为 15 年,运行在高度 780km、倾角 86.4 的低轨道,卫星节点提供 L 频段速度高达 1.5Mbps 和 Ka 频段 8Mbps 的高速数据服务。2019 年 1 月 16 日,铱星公司推出了 Iridium Certus 350 宽带服务,可为用户提供 352kbps 的数据通信速度。2020 年 2 月 27 日,Iridium Certus 700 正式上线,最高下载数据速度较上一代翻一番,已达
118、702kbps。Iridium Certus 可为申请购买该服务的企业和团队提供移动办公功能,并为自动驾驶汽车、火车、飞机等提供双向远程通信,还可以满足在蜂窝网络覆盖范围之外用户的关键信息搜索服务需求,用户主要包括急救人员和搜救组织。(2)“一网”(OneWeb)发射 3 批共 74 个卫星节点 英国 OneWeb 通信公司的“一网”星座是一个由 882 个(648 个在轨,234 个备份)卫星节点组成的网络,为全球个人消费者提供互联网宽带服务的低轨卫星星座。计划于 2022 年初步建成低轨卫星互联网系统,到 2027 年建立健全的、覆盖全球的低轨卫星通信系统。648 个通信卫星节点的工作频谱
119、为 Ku 波段,在距地面大约 1200km 的高度环形低地球轨道上运行。2019 年 2 月,首批 6 个互联网卫星节点成功升空;2020 年 2 月 7 日、2020年 3 月 21 日第二批及第三批各 34 个卫星节点发射升空;2020 年 12 月 18 日、天地一体化信息网络技术研究(2023)47 2021 年 3 月 25 日、2021 年 4 月 25 日和 2021 年 5 月 28 日第四到七批各 36 个卫星节点发射升空。至此,OneWeb 互联网卫星项目在轨运行卫星节点已有 218 个,展示了超过 400Mbps 的宽带速度和 32ms 时延的系统性能。OneWeb 公司
120、原计划在 2020 年完成 10 次卫星发射任务,快速部署第一阶段648 个卫星节点,2021 年实现全球服务,最终实现 1980 多个卫星节点在轨运行,从而构建覆盖全球的宽带通信网络。然而 2020 年 3 月 27 日,因受到新冠肺炎疫情影响,OneWeb 及其最大投资者日本软银的 20 亿美元投资谈判破裂,OneWeb向美国破产法院申请破产保护。但 2020 年 5 月,OneWeb 仍向美国联邦通信委员会(FCC)递交了卫星宽带服务申请书,将计划建设的星座提升到 47844 个卫星节点的量级,并对系统的轨道平面和部署特性进行调整,以完成全球网络的覆盖。2020年7月3日,英国政府宣布,
121、其主导的财团和印度移动网络运营商Bharti Global 成功联合竞购了卫星运营商 OneWeb,以帮助重组其星座业务。目前OneWeb 已经开始了新卫星的制造工作。(3)“星链”(Starlink)进入大规模部署阶段,已发射 3500 多颗卫星 美国 SpaceX 公司的卫星互联网项目“星链”(Starlink)于 2018 年 3 月得到FCC 批准进入美国市场运营。根据 SpaceX 向 FCC 提交的文件,“星链”星座计划总计部署 12000 个卫星节点,其中包括 4425 个卫星节点的轨道高度1100km1300km 的中轨道,7518 个不超过 346km 高度的近地轨道卫星节点
122、。截至 2023 年 2 月,星链工程在轨卫星数量已超过 3500 颗,同时,SpaceX 还提出了第二代星链计划,该计划将发射数量达 29988 颗卫星。SpaceX 预计 2025 年在完成 12000 个卫星节点发射时,能够为地球用户提供至少 1Gbps 的宽带服务,最高可达 23Gbps 的超高速宽带网络。在组网第一阶段,约 1600 个卫星节点将在 550km 高度处环绕地球运行。之后,2700 多个卫星节点会进入 1100km1325km 的较高轨道,完成全球组网。第 天地一体化信息网络技术研究(2023)48 二阶段的 7000 多个卫星节点将进入更低的 300km 高度,增加整
123、个网络的带宽。每个 Starlink 卫星节点重约 227kg,装有多个高通量相控阵天线和一个太阳能电池组,使用霍尔推进器提供动力,配备和“龙飞船”相似的星敏感器高精度导航系统,能够自动跟踪轨道附近的太空碎片并避免碰撞,卫星节点的在轨寿命为1 年5 年。每个卫星节点的生产和发射成本已经远远低于 50 万美元,60 个卫星节点可提供 1Tbps 的带宽,即每个卫星节点的带宽接近 17Gbps。目前,SpaceX 公司正在稳步推进“星链”星座计划实施,进入大规模部署阶段。截至 2022 年 7 月 23 日,第一阶段部署已完成计划的一半,星链服务已经可以在三十六个国家和地区使用;与此同时,第二阶段
124、部署也已经开始,将于 2024年 11 月完成计划的一半部署。2022 年 6 月 30 日,联邦通讯委员会批准并授权了 SpaceX 针对汽车、卡车、飞机、船舶等移动载具上部署星链网络的授权申请,同年 7 月 SpaceX 开始推广用于海上船舶使用的可为客户提供 350 Mbps 下行速度的 Starlink Maritime 服务,同时,Starlink 表示该服务已于 2023 年第一个季度覆盖全球的海洋区域。(4)电信卫星(TeleSat)公司星座已于 2022 年开始部署 加拿大卫星运营商电信卫星(TeleSat)公司是世界五大商业卫星运营商之一。2016 年,TeleSat 披露其
125、低轨星座计划,该系统将包括在两个轨道上的至少 117个卫星节点,之后 TeleSat 方案更改为 300 个卫星节点或更多。公司打算 2022 年开始提供包括加拿大在内的区域性服务,2023 年开通全球服务。卫星将分布在两组轨道面上:第一组轨道面为极轨道,由 6 个轨道面组成,轨道倾角 99.5,高度 1000 km,每个平面至少 12 个卫星节点;第二组轨道面为倾斜轨道,由不少于 5 个轨道面组成,轨道倾角 37.4,高度 1200km,每个平面至少有 10 个卫星节点。就功能上而言,第一组极轨道提供了全球覆盖,第二组倾斜轨道更关注全球大部分人口集中区域覆盖。TeleSat 的星座将在 Ka
126、 频段(17.8GHz20.2GHz)的较低频谱中使用 1.8GHz 的带宽用于下行链路,而在上 天地一体化信息网络技术研究(2023)49 Ka 频段(27.5GHz30.0GHz)的带宽为 2.1GHz 用于上行链路。单个卫星节点重约 800kg,设计寿命 10 年,并携带两个冗余的氪燃料电力推进系统,整个星座的总容量将达到 16Tbps24Tbps,其中约 8Tbps 用于销售,剩余的容量将覆盖海洋和无人居住的陆地。2018 年 1 月 12 日,TeleSat 的低轨高通量试验卫星 LEO Vantage1 搭载印度极地卫星运载火箭(PSLV)发射入轨,用于验证低地球轨道星座的低时延宽
127、带通信。2020 年 4 月 30 日,TeleSat 公司表示由 298 个卫星节点组成的互联网星座的使能技术已足够成熟,将选择一家主要承包商研制低地球轨道卫星。TeleSat公司计划于 2022 年开始部署,将 78 个卫星节点发射到极地轨道。到 2023 年年底,将剩余的 220 个卫星节点发射到倾斜轨道。其中极地卫星节点已于 2022 年在北纬高纬度地区投入使用,并将在 2023 年发射倾斜轨道卫星节点后开始全球服务。(5)亚马逊柯伊伯(Kuiper)星座计划 2019 年,亚马逊推出柯伊伯计划,拟投入数十亿美元发射 3236 个 Ka 波段卫星节点,其中 784 个卫星节点位于 59
128、0km 的高度,1296 个卫星节点位于 610km的高度,1156 个卫星节点位于 630km 的轨道,以提供高速、低时延的互联网宽带服务。柯伊伯星座计划是目前所有低轨互联网星座中最低、最密集的一种,它在高度上与其他星座区分开,一方面避免了同轨道的拥挤和碰撞,另一方面占据最低的轨道可使通信性能达到最优、发射运输成本最低、发射可用的火箭也最广泛。但缺点是,对同样的地表范围需要的卫星数量会相对最多,以便覆盖到所有的目标区域(南北纬 56 之间)。亚马逊尚未公布其首批“柯伊伯”卫星的发射时间节点,但需要在 2026 年年初之前发射至少一个卫星节点,才能满足国际电联申请后 7 年内让频谱启用的时间要
129、求。亚马逊在 2019 年 3 月向国际电联提出 Ka 波段频谱申请的。在 2019 年 天地一体化信息网络技术研究(2023)50 7 月,亚马逊对 FCC 表示,它打算分五个阶段发射柯伊伯项目卫星节点,卫星节点设计工作寿命为 7 年,2026 年前将完成一半数量的卫星节点发射任务。(6)我国 LEO 星座计划 1)“鸿雁”星座“鸿雁”星座是中国航天科技集团有限公司规划并发布的 LEO 星座,是将由300 个低轨道小卫星节点组成的,具有全天候、全时段且能在复杂条件下实时双向通信能力的全球系统,能实现对海域航行船舶的监控和管理、对全球航空目标的跟踪和调控,以保证飞行安全,还能增强北斗导航卫星系
130、统,提高北斗导航卫星定位精度。2018 年 12 月,鸿雁星座发射首个试验星节点“重庆号”,配置有 L/Ka频段的通信载荷、导航增强载荷、航空监视载荷,可实现鸿雁星座关键技术在轨试验。2)“虹云”星座“虹云”星座是由中国航天科工集团第二研究院规划发布的 LEO 星座,设计由 156 个卫星节点组成,在距离地面 1000 km 的轨道上组网运行,构建一个卫星宽带全球移动互联网络实现全球互联网接入服务。2018 年 12 月,虹云星座技术验证星在酒泉卫星发射中心成功发射入轨后,先后完成了不同天气条件、不同业务场景等多种工况下的功能与性能测试。3)“天象”星座“天象”星座是中国电子科技集团公司按照“
131、天地一体化信息网络”实施方案设计的 LEO 星座,由 120240 个卫星节点组成,采用星间链路和星间处理交换技术,能够实现在国内布设极少数地面关口站支持下的全球无缝窄带和宽带通信与信息服务。2019 年 6 月,“天象”试验 1 星、2 星通过搭载发射成功进入预定轨道,卫星节点搭载了基于软件重构功能的开放式验证平台,实现了 SDN 天基路由器、星间链路、导航增强和 ADS-B 等设备功能,首次开展了基于低轨星间链路的天基组网信息传输、星间测量、导航增强、天基航空航海监视等技术试验。天地一体化信息网络技术研究(2023)51 4)“银河 Galaxy”星座 成立于 2018 年的银河航天公司,
132、规划建设了由上千个卫星节点组成的“银河Galaxy”星座,轨道高度 1200km,系统建成后用户可以高速灵活地接入 5G 网络。2018 年 10 月,银河航天试验载荷“玉泉一号”搭载长征四号乙运载火箭(CZ-4B)发射升空,进行星载高性能计算、空间成像、通信链路等试验验证。2020 年 1月 16 日,银河航天首发星发射升空,卫星重量 200kg,采用 Q/V 和 Ka 等通信频段,具备 10Gbps 速率的透明转发通信能力,可通过卫星终端为用户提供宽带通信服务。6.3 LEO(低轨)星座发展展望 低轨卫星互联网是构建天地一体化信息网络的重要组成部分,其发展经历了最初的伤痛期(铱星计划破产)
133、,目前进入高速发展期(全球提出了多项低轨卫星互联网计划),可以说换发了第二春。目前在全球所有低轨卫星互联网中,发展最好的是美国星链系统(Starlink),通过 Speedtest Intelligence系统的测试(Speedtest Intelligence系统是 Ookla 公司开发的,是全球知名宽带网络速度测试系统,可根据每天使用 Speedtest软件进行的数百万次消费者发起的测试,提供对全球固定宽带和移动性能数据的最新评估),星链网络的数据传输和时延性能如下:(1)平均下行速度:97.23Mbps,接近美国固定宽带下行速率 115.22Mbps。(2)平均上传速度:13.89Mbp
134、s,接近美国固定宽带上行速率 17.18Mbps。(3)平均时延性能:平均延迟接近固定宽带(Starlink 延迟为 45 毫秒,固定宽带的平均延迟为 14 毫秒)。根据上述测试结果可知,星链网络是美国唯一一家拥有类似固定宽带带宽和延迟的卫星互联网网提供商,其网络性能可以满足大部分现代在线生活的需求。展望未来,星链计划发展还存在不确定性,这些不确定性,不只是星链计划 天地一体化信息网络技术研究(2023)52 需要面对的,也是其他低轨卫星互联网面临的共同挑战:(1)终端问题,目前星链网络仅有一款固定终端:SpaceX Starlink beta 单用户“套件”(终端),具体形状如下图所示。图
135、6-1 星链网络固定终端 星链网络固定终端,由碟形天线(直径约为 59cm(23 英寸)、安装座、路由器和电缆组成。这种碟形天线使用定制版本的以太网供电(PoE)供电,运行功耗约为 90100W,整体上功耗较大。Starlink 目前用户终端售价为 499 美元,宽带服务收费为每月 99 美元(美国固网宽带的平均费用为每月 61.07 美元)。星链网络移动终端,Tesla Model,目前还在概念机阶段,该概念机预计配置屏下镜头技术,太阳能充电(或12年)、Starlink卫星通信(或24年)、Neuralink脑机链接(或 510 年)。图 6-2 星链网络移动终端(概念机)目前市场上还没有
136、支持星链网络的移动终端,因此星链计划目前只能满足固定宽带接入场景需求,这将直接制约星链网络应用的进一步拓展。(2)星链网络的军事功能。最近一段时间,世界各国逐渐意识到星链网络 天地一体化信息网络技术研究(2023)53 具有强大的军事功能,尤其对洲际导弹具有很好的拦截作用,同时也会影响各国日常卫星发射的时间窗口。由于星链卫星数量和密度不断变大,这将使各国卫星发射可以利用的时间窗口越来越小,严重影响各国的卫星通信系统发展,因此,各国开始逐渐限制星链的发展。上述原因,为星链网络的发展,或者说为低轨卫星互联网的发展蒙上了一层阴影。展望未来,低轨卫星互联网要想获得极大的发展,必须要解决移动终端问题,同
137、时处理好与军事功能相协调的问题。7.天地一体化信息网络建设探讨 7.1 网络建设难点 天地一体化信息网络建设的重点和难点是空基网络建设,也就是低轨卫星系统的建设。低轨卫星系统和现有高轨、中轨卫星系统相比,具有传输速率高的特点,但是,低轨卫星系统建设成本、维护成本高。虽然随着技术的进步,单星的制造成本将大幅下降,但是低轨卫星系统组网需要的卫星数量众多,几千到几万颗,建设成本几百亿甚至上千亿,因此建设成本非常高。如:铱星系统 66 颗卫星,耗资约 50 亿美元;星链系统至少投入约 100 亿美元;日本 LeoSat 低轨卫星通信系统共 108 颗卫星,耗资约 36 亿美元。卫星除了研制成本外,还需
138、要大量的发射成本。根据经验,正常商业系统卫星发射成本约 1 万美元/公斤,马斯克通过发射系统重复利用降低发射成本,目前约 2300 美元/公斤,但此部分成本仍是一笔重大支出。另外,由于卫星数量巨大,后期的维护成本也非常高昂。目前国外已有泰利迪斯(Teledesic)和 OneWeb 等低轨卫星系统,由于高昂的维护成本而申请破产。国内来看,目前我国发展中的低轨卫星系统多为战略工程。目前的“鸿雁”、天地一体化信息网络技术研究(2023)54 “虹云”都是由航天科技、航天科工等国字头企业来承建,更多考虑的是战略层面,包括我国 2021 年 4 月成立的“中国卫星网络通信集团公司”,也是由中电子、中国
139、电信等公司筹建。我国目前阶段低轨卫星系统发展和建设的出发点优先考虑的战略层面的问题,而非经济效益。但是长远来看,在 6G 时代,低轨卫星系统必将面临大规模商业运营的问题。低轨卫星系统需要与其他通信系统有效融合,才能实现万物智联的美好愿景。在万物智联时代,低轨卫星系统将是天地一体系统中重要的组成部分,经济效率也将成为必须要考虑的问题。如果不考虑经济效率,就很难保障低轨卫星互联网的健康发展和稳定运营。7.2 网络建设方案 近十年来,我国信息通信业取得了跨越式发展,共建共享成为了运营商降本增效的重要手段。共建共享的优势在于通过多家运营商共同承建、共同运营一张网络,节省了网络重复建设的成本,提高了建网
140、速率和运营效率。现有陆地蜂窝网络共建共享可以实现站址、基带、射频单元、频谱和部分核心网元等不同层面的共享形式。在立体式网络管理架构下,共建共享技术可以从陆地网络延伸至空中网络,为未来空天地一体化网络建设提供新的思路。多家运营商共同建设和维护一张卫星网络并将其纳入到地面通信系统,由于卫星网络主要覆盖陆地蜂窝难以覆盖的偏远地区,用户密度远小于蜂窝小区,多个运营商共建共享可以提高卫星网络的使用效率。卫星网络的建设和运营是个长期且复杂的工程,卫星网络的共享可以减小单一运营商的成本压力,实现多个运营商的合作共赢。参照地面共建共享方案,基站共享可以有独立载波和共享载波两种方式:在独立载波方式下,各地面运营
141、商可以共享卫星上的射频和基带处理资源,但在载波上进行独立配置和管理。因此,在共享卫星内部使用逻辑独立的不同小区提供给不同运营商使用。天地一体化信息网络技术研究(2023)55 在共享载波方式下,除了可以复用卫星上的射频和基带处理资源,不同运营商的载波也可以共享,每个载波都需要同时广播多个运营商的 PLMN。另一方面,卫星需要通过地面信关站与陆地建立数据通路连接,考虑各国家和地区对于卫星通信经营资质和信关站落地许可方面政策差异及限制,需要因地制宜地探索实施不同的运营策略,积极寻求与本地运营商的合作,同时利用地面信关站的共建共享能进一步提高网络资源利用率。地面信关站的全球部署是一个长期过程,在此期
142、间需要利用星间链路实现卫星间的路由策略,将数据尽快回传到地面站从而接入运营商的核心网共建共享需要多个运营商共享相同的卫星网络资源,如何保证卫星资源分配的公平性是解决各运营商间相互博弈的关键。区块链技术具有分布式链式存储、链上数据不容易被篡改等特点,可以赋能卫星网络的共建共享,为缺乏信任的博弈多方提供分布式的可信任记账功能问。卫星在通信、计算和存储资源方面的分配会实时广播给地面区块链节点进行分布式存储,由于区块间的数据存在彼此联系,很难对数据进行非法篡改,共享卫星为各运营商提供的服务质量以及资源分配参数完全透明公开,并且可以和计费规则关联制作成智能合约,在满足运营商业务需求时自动触发智能合约执行
143、。8.天地一体化信息网络发展展望 天地一体化信息网络作为未来网络发展的重要特征,他将突破地面限制,向空、天、地、海多维度扩展,这一点业界已经达成共识。通过地面网络和非地面卫星网络的融合发展,可以解决各自发展所面临的瓶颈问题,并完成立体化通信网络的构建,进而真正实现在任何时间、任何地点与任意一方通信的美好愿景。天地一体化信息网络的研究处于初始阶段,尚存在许多关键性问题需要解决。天地一体化信息网络技术研究(2023)56 8.1 面临挑战(1)网络安全方面 在空天地一体化网络中,存在天际卫星与地面间的传输链路、陆地蜂窝通信网络等多个网元及不同节点之间的无线、有线链路,涉及地面网络网关、数据交换中心
144、和边缘计算节点等多样化的网络节点,以及不同运营商之间网元的端口开放和资源共享。卫星的覆盖特性和链路开放特性,使卫星链路在数据传输时极易被窃听,并可能受到攻击。目前,被广泛热议的一种分布式架构技术,即区块链技术,通过降低存储效率的方法,提升了链上节点数据的安全性,防止数据被篡改。但这种新技术对存储硬件资源、算力资源和通信网络有更高的要求。可以预见,引入区块链技术优化多接入边缘计算技术的空天地一体网络,为网络安全提供了可靠、高效的保障手段。(2)移动性管理方面 低轨道地球卫星通过点波束的形式,对地面的终端用户进行通信网络覆盖,但是会导致终端脱离卫星的服务区,中断通信服务。传统通信为了避免这种脱离服
145、务区的现象,引入了切换技术,在空天地一体化网络中,称为卫星链路层切换。卫星链路层切换可以细分为 3 种:同一颗卫星波束间切换、卫星之间的切换及卫星与地面通信系统的切换。同一颗卫星覆盖范围的波束间切换,是卫星或者用户终端的移动,使终端脱离当前服务波束的覆盖范围而发生的切换,类似目前的移动通信中,同一基站不同小区间的切换。两颗不同的卫星之间的星间切换是由于卫星的高速运动,使终端移动至另外一颗卫星的覆盖范围内而发生的切换,类似目前移动通信中不同基站之间的切换。卫星与地面的切换发生在空间卫星网络和陆地通信网络之间,这是因为终端离开了当前的地面网络覆盖范围(地面通信网络因地形地势原因未完全覆盖的区域),
146、使终端与当前卫星建立了数据传输链路而引起的切换。在星地链路层切换中,由于地面通信链路的不可用,导致了切换 天地一体化信息网络技术研究(2023)57 延迟,引发了严重的分组数据丢失问题,进一步降低了用户体验感。但是低轨道地球卫星的运行轨道是相对固定、可计算的,可以通过加入深度学习算法让终端提前预知低轨道地球卫星运行轨道的数据,减少链路切换的时延,以保障业务的连续性。(3)空间无线干扰方面 与传统的陆地通信系统相比,空天地一体化网络的空中接口链路更复杂、多样。由于已经将多接入边缘计算技术引入了空天地一体化网络,使大量用户同时接入了网络进行业务数据的处理传输,但是无线电频谱资源在时间、空间维度上是
147、相对受限的,同一时间多用户的接入必然会造成严重的自扰和互扰。因此需要提出更加智能、高效的频谱共享和干扰消除方法,这也是今后空天地一体化网络的一个主要挑战。8.2 发展建议 虽然业界对于未来 6G 定义的讨论才刚刚开始,但是 6G 网络将突破地面限制向空、天、地、海多维扩展以基本成为共识。非地面网络具有明显的覆盖优势和大时空尺度通信优势,可以帮助运营商提供低成本的普遍服务及扩展现有的通信服务,实现收入增长;但另一个方面天地一体化通信网络尚有待攻克的关键技术和硬件通信设施部署等问题。因此,随着各项关键技术的发展,针对天地一体化通信的网络发展建议如下:(1)不同制式的网络互联互通,优化业务传输 针对
148、现有的高、中轨、低轨卫星系统和地面网络,设计开放、安全的网关接口、实现网络之间的互联互通,通过优化业务和网络策略,实现业务的 QoS 保障。引入 MEC,实现本地业务流和业务处理,规避非地面网络的高时延和高传输成本。天地一体化信息网络技术研究(2023)58 (2)相近的技术体制、实现业务高效传输 非地面网络采用与地面网络相同或相近的网络架构与关键技术,通过共享产业链,提升天地一体化通信网络的研发效率,降低整体组网成本。通过部分设备合设,如核心网合设、关口站与基站合设的方式,实现网络资源和网络策略的快速互通,从而达到业务高效传输的目的。(3)天地一体化融合组网,实现业务统一调度与支持 网络平台
149、采用统一的空口技术体制、网络架构,进行统一的资源管理和动态频率共享,实现统一的业务调度与编排。通过模块化的设备、云化的计算处理能力,引入区块链等技术,实现天地一体网络的设备和计算处理能力的复用和共享,进一步降低网络部署与运营成本,实现绿色、集约、健壮的网络部署。目前全球天地一体化研究的序幕逐渐展开,但是标准还未制定,具体网络架构和关键技术还在讨论中,还存在很多不确定性。但是天地一体化组网这一发展趋势已经成为必然,作为工程咨询行业,我们需要为未来的网络建设和业务拓展,做好准备:(1)技术 紧密跟踪天地一体化标准研究进展,重点跟踪关键技术、网络架构、应用场景等方面研究进展,做好人员、技术储备。(2
150、)网络 未来的空天地一体化组网,将对网络规划、建设、优化带来影响,需提前研究网络规划和建设方案,做好应对。比如网络优化业务,目前我们承接的网络优化业务仅仅是蜂窝网之间的网络优化。在天地一体化时代,网络优化的业务将涉及蜂窝网之间的优化,无人机基站网络间的优化,卫星网络间的优化。除此之外,还包括蜂窝网、无人机网络、卫星网络间的优化。网络优化技术要求高、难度变大,因此我们的网络优化人员,需要提前研究天地一体化信息网络优化技术和方案,做好未来业务承接的准备。天地一体化信息网络技术研究(2023)59(3)业务空天地一体化组网,将出现新的业务形态,可能会带来新的市场机会。目前我们虽然还不能完全确定未来网络新的业务形态,但是我们可以时刻全球天地一体化信息网络业务形态最新发展进展,提前布局,提前准备。中通服咨询设计研究院有限公司 地 址:江苏省南京市建邺区楠溪江东街 58 号 联系人:李新 电话: 网 址:http:/